I materiali esposti a un ambiente ad alta radiazione come l'interno di un reattore nucleare possono degradarsi e indebolirsi gradualmente. Ma per determinare esattamente quanti danni subiscono questi materiali generalmente è necessario rimuovere un campione e testarlo in strutture specializzate, un processo che può richiedere settimane.

Un metodo analitico sviluppato dai ricercatori del Dipartimento di Chimica del MIT e applicato dai membri del Mesoscale Nuclear Materials Laboratory del MIT potrebbe cambiare questa situazione, potenzialmente consentendo il monitoraggio continuo di questi materiali senza la necessità di rimuoverli dal loro ambiente di radiazione. Ciò potrebbe velocizzare notevolmente il processo di collaudo e ridurre la sostituzione preventiva di materiali di fatto sicuri e utilizzabili.

I risultati sono stati riportati questa settimana sul giornale Revisione fisica B , in un articolo dello studente laureato Cody Dennett, assistente professore di scienza e ingegneria nucleare Michael Short, e altri sei.

Quando si tratta di misurare i danni da radiazioni nei materiali, breve dice, "la maggior parte dei modi attuali sono lenti e costosi." Per esempio, il metodo considerato il gold standard per tali test, microscopia elettronica a trasmissione (TEM), produce dati completi su molti dei difetti del materiale che sono responsabili dei cambiamenti nelle sue proprietà. Ma non tutti i difetti che influiscono sulle proprietà del materiale possono essere visti nel TEM, quindi il test non fornisce dati completi.

"Non ci interessa solo quanti vuoti o posti vacanti hai, " Breve dice, riferendosi a luoghi in cui uno o più atomi mancano dal reticolo cristallino del materiale. "Ciò che vogliamo veramente sapere è come stanno cambiando le proprietà dei materiali".

Il team ha trovato la risposta in una tecnica chiamata spettroscopia a reticolo transitorio. Essenzialmente, questo è un modo per misurare le proprietà termiche ed elastiche dei materiali inducendo e monitorando onde acustiche sulla superficie del materiale. Sebbene il sistema "veda" solo la superficie esterna dei materiali, tali vibrazioni acustiche sono influenzate da difetti del sottosuolo nella struttura del materiale. L'effetto è simile al modo in cui i geologi possono costruire un'immagine degli strati interni della Terra studiando il modo in cui le onde sismiche si propagano in direzioni diverse.

Il sistema crea queste oscillazioni acustiche utilizzando due raggi laser pulsati puntati sul campione in modo tale che le onde luminose dei due raggi causino un pattern di interferenza. Questo modello di interferenza provoca il riscaldamento sulla superficie del campione, generando un'onda acustica stazionaria. Il movimento della superficie causato da questa onda può essere monitorato da un altro set di laser. "Creiamo onde acustiche increspate, " Breve dice, "e misurare quanto velocemente si muovono e quanto velocemente decadono, " senza entrare in alcun modo in contatto fisico con il materiale.

Il lavoro del team inizialmente ha incontrato un certo scetticismo. "La gente diceva 'come fai a sapere che [questa tecnica] è abbastanza sensibile?'" dice Short. Ma con esperimenti accurati che corrispondevano "quasi perfettamente" alle simulazioni teoriche, hanno dimostrato la necessaria sensibilità, lui dice. "Quelle domande critiche erano importanti per noi da ascoltare, e ci ha motivato a condurre questo studio".

Per una prova, il team ha confrontato due lotti di campioni di alluminio composti da cristalli singoli perfetti con diversi orientamenti della superficie. Sebbene la disposizione atomica interna fosse diversa, "sembravano identici all'occhio o al microscopio, " dice. "Li mettiamo tutti nel nostro dispositivo, e siamo riusciti a risolverli tutti".

Per dare seguito al loro lavoro iniziale, i ricercatori stanno ora lavorando per dimostrare la sensibilità della loro tecnica a piccoli difetti nella struttura di un materiale. "Stiamo creando semplici difetti e poi misuriamo i segnali, prevedere l'impatto, " Short dice. "Vogliamo mostrare quanto possiamo diventare sensibili".

Il team ha utilizzato materiali diversi nei test, ma si è concentrato principalmente sull'alluminio a cristallo singolo. Hanno scelto quel materiale perché era uno dei più impegnativi, Breve spiega. "Mentre ruoti il ​​campione, la sua risposta acustica cambia" a causa del diverso allineamento della struttura cristallina alle onde acustiche superficiali indotte dal laser. "Ma cambia molto poco. Quindi, se riusciamo a percepire quei sottili cambiamenti nella velocità delle onde nell'alluminio, quindi siamo ben preparati per misurare gli effetti delle radiazioni" in altri materiali. I risultati di questi test hanno mostrato che il loro dispositivo è abbastanza sensibile da rilevare cambiamenti nella velocità delle onde acustiche fino a un decimo dell'1 percento. E può fornire il suo risponde "in pochi secondi, rispetto a mesi o anni" per i metodi esistenti.

Il metodo sviluppato dai ricercatori per simulare direttamente la spettroscopia a reticolo transitorio è importante quanto le misurazioni stesse, dicono. Utilizzando accurate simulazioni di dinamica molecolare, i ricercatori sono stati in grado di prevedere con precisione la risposta prevista di rame e alluminio, e confermare questa previsione con le misurazioni. "L'implicazione più potente per queste simulazioni, " Breve dice, "è che possiamo creare nuove strutture nel computer e prevedere i loro segnali. Alcuni difetti sono troppo complessi per noi per prevedere i loro segnali usando solo la teoria. È qui che entra in gioco la simulazione". Anche la capacità di utilizzare la simulazione per spiegare misurazioni sperimentali su scala atomica è "estremamente illuminante, " lui dice.

"Ora, possiamo prendere un punto dati circa ogni cinque minuti, dove di solito otterresti alcuni punti dati al mese, " dice. Che i test più rapidi potrebbero essere cruciali per consentire lo sviluppo di nuove generazioni di materiale di rivestimento per il combustibile nucleare per nuovi reattori avanzati, lui dice. "Ora, il più grande svantaggio dell'installazione di nuovi reattori sono i materiali, e il più grande svantaggio è il test. Se possiamo passare da mesi a secondi, possiamo aggirare quel collo di bottiglia."

Sebbene i loro test iniziali siano stati eseguiti con configurazioni di laboratorio più grandi, Short dice che dovrebbe essere abbastanza semplice riprodurre quelle funzioni in un piccolo, dispositivo portatile che potrebbe essere portato in giro per prove sul campo o montato in modo permanente in punti di monitoraggio strategici all'interno di un reattore.

"Questo è un ottimo lavoro con una bella combinazione di lavoro sperimentale e di modellazione, "dice Felix Hoffman, un professore associato di scienze ingegneristiche presso l'Università di Oxford nel Regno Unito, chi non era coinvolto in questo lavoro.

"I metodi Transient Grating (TG) forniscono un'ottima alternativa alle tecniche tradizionali di misurazione dei danni da radiazioni poiché sono rapidi, non distruttivo, e non richiedono molto in termini di preparazione del campione se non una superficie lucida, " dice. "Questo è in netto contrasto con TEM, sonda atomica, o micromeccanica che richiedono una lunga preparazione del campione. ... Se il sistema può essere miniaturizzato e reso sufficientemente portatile da consentire misurazioni in situ, questo aprirebbe enormi possibilità per sondare l'evoluzione delle proprietà materiali a causa dell'irradiazione".

"Gli autori hanno dimostrato un progresso significativo e versatile nel monitoraggio e nella quantificazione dei difetti puntuali nei volumi della mesoscala, "dice Steven Zinkle, presidente del dipartimento di ingegneria nucleare dell'Università del Tennessee, che anche non è stato coinvolto in questo lavoro. "Con ulteriore affinamento, " lui dice, "La nuova tecnica di spettroscopia TG potrebbe portare a una migliore comprensione delle evoluzioni dei difetti in tempo reale che si verificano in un'ampia gamma di materiali puri e leghe ingegneristiche durante l'esposizione all'elaborazione del fascio di ioni o al bombardamento di neutroni durante la produzione di energia nei reattori nucleari".

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.