Nelle scoperte che potrebbero cambiare il modo in cui industrie come l'energia nucleare e l'aerospaziale cercano materiali in grado di resistere all'esposizione alle radiazioni, I ricercatori dell'Università del Michigan hanno scoperto che le leghe metalliche con tre o più elementi in uguali concentrazioni possono essere notevolmente resistenti al rigonfiamento indotto dalle radiazioni.

Il grosso problema affrontato dai metalli bombardati da radiazioni ad alte temperature, come i metalli che compongono il rivestimento del combustibile nucleare, è che hanno la tendenza a gonfiarsi in modo significativo. Possono anche raddoppiare di dimensioni.

"Primo, potrebbe interferire con altre parti della struttura, ma anche quando si gonfia, la forza del materiale cambia. La densità del materiale diminuisce, " ha detto Lumin Wang, Professore UM di ingegneria nucleare e scienze radiologiche. "Può diventare morbido ad alte temperature o indurire a basse temperature."

Questo accade perché quando una particella vola nel metallo e fa uscire un atomo dalla struttura cristallina, quell'atomo spostato può viaggiare rapidamente attraverso il cristallo metallico. Nel frattempo, lo spazio vuoto lasciato alle spalle non si muove molto velocemente. Se molti atomi vengono espulsi dalla stessa area, quegli spazi vuoti possono fondersi in cavità considerevoli.

Per controllare la formazione di queste cavità, e il relativo gonfiore, la ricerca più recente si è concentrata sulla creazione di micro e nanostrutture all'interno del metallo come "lavelli" appositamente progettati per assorbire piccoli difetti in modo da preservare l'integrità del materiale. Ma Wang e i suoi colleghi stanno prendendo a calci la vecchia scuola, guardando le leghe che non hanno rotture nella struttura cristallina degli atomi.

I colleghi dell'Oak Ridge National Laboratory nel Tennessee hanno creato campioni di una varietà di leghe a base di nichel. Questi sono stati poi esposti alle radiazioni in una struttura presso l'Università del Tennessee. Le leghe di maggior successo erano soluzioni solide concentrate:cristalli costituiti da parti uguali di nichel, cobalto e ferro; o nichel, cobalto, ferro da stiro, cromo e manganese.

"Questi materiali hanno molte buone proprietà come resistenza e duttilità, e ora possiamo aggiungere la tolleranza alle radiazioni, " disse Chenyang Lu, un ricercatore post-dottorato U-M in ingegneria nucleare e scienze radiologiche e l'autore principale del rapporto in Comunicazioni sulla natura .

In un esperimento proposto da Wang, I ricercatori UT hanno esposto i campioni a fasci di radiazioni che hanno creato due livelli di danno, simile a quello che può accumularsi nel nocciolo di un reattore per diversi anni e per diversi decenni. Questi esperimenti sono stati condotti a una temperatura di 500 gradi Celsius o 932 Fahrenheit, una temperatura alla quale le leghe a base di nichel sono solitamente soggette a rigonfiamento.

Questi campioni sono stati analizzati presso il Centro per la caratterizzazione dei materiali di UM con un microscopio elettronico a trasmissione. Il team ha scoperto che rispetto al nichel puro, le leghe migliori avevano più di 100 volte meno danni da radiazioni.

Per spiegare cosa c'era di speciale in queste leghe, il team ha lavorato a stretto contatto con il gruppo di Fei Gao, un teorico e professore di ingegneria nucleare e scienze radiologiche. Il gruppo di Gao ha eseguito simulazioni al computer a livello di singoli atomi e ha mostrato che la tolleranza alle radiazioni in questo gruppo di leghe può essere attribuita al modo in cui gli atomi spostati viaggiano all'interno del materiale. La spiegazione è stata ulteriormente confermata da un'altra serie di esperimenti condotti dal team dell'Università del Wisconsin.

"In termini semplificati, se ci sono molti atomi di diverse dimensioni, puoi considerarli dossi o buche, " Wang ha detto. "Quindi questo difetto non viaggerà così bene. Rimbalzerà e rallenterà".

Poiché gli atomi spostati e i buchi nella struttura cristallina sono rimasti vicini l'uno all'altro, erano molto più propensi a trovarsi l'un l'altro. In effetti, questo ha riparato molti dei vuoti nelle leghe complicate prima che potessero unirsi in cavità più grandi.

"Sulla base di questo studio, ora capiamo come sviluppare una matrice tollerante alle radiazioni di una lega, "Ha detto Wang.

Lo studio, intitolato "Miglioramento della tolleranza alle radiazioni controllando la mobilità dei difetti e le vie di migrazione nelle leghe monofase multicomponente, " appare in Comunicazioni sulla natura .