I metalli viaggiano avanti nel tempo presso il Laboratorio dell'acceleratore di ioni, una struttura all'interno del Dipartimento di Ingegneria Nucleare della Texas A&M University e i ricercatori del gruppo Ion Beam Laboratory del dipartimento stanno accelerando l'orologio su leghe metalliche e acciai.

I ricercatori stanno usando gli ioni come surrogati della radiazione di neutroni per vedere in un breve lasso di tempo quanto siano stabili questi metalli dopo aver sopportato le condizioni di decenni di utilizzo all'interno di un reattore nucleare.

"Stiamo essenzialmente prendendo queste leghe e irradiando con ioni per ottenere danni osservati in condizioni simili a reattori, "ha detto Jonathan Gigax, un assistente ricercatore laureato che lavora sotto il ricercatore principale del laboratorio, Professore Associato Dott. Lin Shao. "Questo è importante perché negli attuali reattori ci vogliono decenni per raggiungere i livelli di usura che questi metalli vedranno nei reattori di prossima generazione. Quindi usiamo acceleratori di ioni perché possono raggiungerlo molto più velocemente".

Secondo Gigax, ci sono una serie di differenze tra le radiazioni di ioni e neutroni che impediscono i confronti uno a uno. Però, numerosi primi studi e studi recenti mostrano che alcuni comportamenti sono molto simili in entrambi gli ambienti. Ciò aiuta a qualificare la tecnica e consente ai ricercatori di vagliare rapidamente un gran numero di leghe candidate. I risultati forniscono una comprensione delle proprietà uniche che rendono alcune leghe resistenti alle radiazioni in modo che possano essere sviluppate nuove leghe per l'uso nella costruzione di reattori e aiutano a ottenere un uso efficiente del combustibile del reattore. Per ottenere un'efficienza ottimale, il reattore deve funzionare ad un elevato burn-up, che sollecita i metalli e le leghe all'interno del reattore. Per ottenere consumi di carburante altamente efficienti, leghe in grado di resistere ai cambiamenti microstrutturali da danni prodotti da radiazioni di neutroni, noto anche come creep e gonfiore, sono necessarie per garantire una lunga vita utile del reattore.

"Un buon esempio di fenomeni di creep sarebbe un filamento in una lampadina a incandescenza, "Gigax ha detto. "Il filamento rimane a una temperatura molto elevata per un lungo periodo di tempo e si deforma lentamente fino a rompersi. La stessa cosa può accadere con gli acciai ad alte temperature o sotto forti sollecitazioni, quindi l'idea era che dovevamo sviluppare una lega che non mostrasse creep in larga misura."

Gli acciai utilizzati nel reattore, a causa di creep e gonfiore, subire deformazioni e modificare il comportamento operativo del reattore. I metalli a cristallo singolo sono resistenti allo scorrimento ma sono costosi da produrre e in genere mostrano un rigonfiamento del vuoto maggiore rispetto alle controparti policristalline. Grani molto piccoli offrono una migliore resistenza al rigonfiamento ma rendono l'acciaio suscettibile allo scorrimento.

Gigax paragona i fenomeni alla sabbia in una clessidra, dove i granelli di sabbia sono finissimi e capaci di scorrere da un'estremità all'altra della clessidra. I metalli che hanno piccoli grani sono più suscettibili allo scorrimento perché i grani sono in grado di muoversi più facilmente ad alte temperature e sotto stress, soprattutto durante il bombardamento di neutroni, al contrario dei grani più grandi che offrono più resistenza. Risolvere questo problema, gli ossidi possono essere legati al metallo per fissare quei confini e rendere più difficile il movimento di questi grani, pur mantenendo i vantaggi di una struttura a grana fine rispetto al rigonfiamento vuoto. Secondo Gigax, sarebbe come incastrare alcuni granelli di sabbia all'interno della clessidra, impedendo ai grani di muoversi.

"Una volta ottenuti tutti questi risultati, ci sono due cose che possiamo fare, " ha detto Gigax. "Possiamo guardare a ciò che rende una lega migliore delle altre e quindi guidare l'ulteriore sviluppo di quella lega in base alle sue qualità positive, o una volta identificata una buona lega, puoi dedicare risorse per farla mettere all'interno di un reattore nucleare per testarla nelle condizioni esatte".

Attraverso l'uso degli acceleratori di ioni, l'impegno in termini di tempo e costi per il test del reattore è drasticamente ridotto, permettendo alla ricerca di avanzare in modo efficiente. Oltre a garantire una maggiore durata e durata di questi materiali del reattore, queste applicazioni hanno anche vantaggi per il consumatore.

"Stiamo contribuendo al fabbisogno energetico della nazione, " Gigax ha detto. "Contribuendo allo sviluppo di materiali in grado di sopportare lo stress da radiazioni aggiuntivo dovuto al funzionamento a temperature più elevate, consumi di carburante più efficienti, che si traduce in una maggiore produzione di energia per fonte di carburante, stiamo contribuendo a rendere l'energia più economica e più accessibile per il consumatore medio".

La ricerca è finanziata dal Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti, il cui interesse per questo progetto lascia Gigax con la sensazione che lui e altri membri del team di ricerca stiano facendo un lavoro positivo che sta avvantaggiando la comunità più ampia.

"Molti dei nostri finanziamenti provengono da fonti governative, " Gigax ha detto. "L'idea qui è che ottenendo finanziamenti attraverso questi progetti siamo molto orientati al servizio verso gli interessi della comunità e che si accoppia bene allo spirito di Aggie. Come Aggies, è bello sentirsi come se stessimo servendo gli interessi della comunità".