Per valutare la capacità di un materiale di resistere all'ambiente ad alta radiazione all'interno di un reattore nucleare, i ricercatori hanno tradizionalmente utilizzato un metodo noto come "cuoci e guarda, " il che significa che il materiale è esposto a radiazioni elevate e quindi rimosso per un esame fisico. Ma quel processo è così lento che inibisce lo sviluppo di nuovi materiali per i futuri reattori.

Ora, ricercatori del MIT e dei Sandia National Laboratories hanno sviluppato, testato, e ha reso disponibile un nuovo sistema in grado di monitorare continuamente i cambiamenti indotti dalle radiazioni, fornendo dati più utili molto più velocemente rispetto ai metodi tradizionali.

Con molti impianti nucleari prossimi alla fine della loro vita operativa secondo le normative vigenti, conoscere le condizioni dei materiali al loro interno può essere fondamentale per capire se il loro funzionamento può essere esteso in sicurezza, e se si di quanto.

Il nuovo sistema laser può essere utilizzato per osservare i cambiamenti delle proprietà fisiche dei materiali, come la loro elasticità e diffusività termica, senza distruggerli o alterarli, dicono i ricercatori. I risultati sono descritti nella rivista Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B in un articolo dello studente di dottorato del MIT Cody A. Dennett, professore di scienza e ingegneria nucleare Michael P. Short, e il tecnologo Daniel L. Buller e lo scienziato Khalid Hattar di Sandia.

Il nuovo sistema, basato su una tecnologia chiamata spettroscopia a reticolo transitorio, utilizza raggi laser per sondare piccoli cambiamenti sulla superficie di un materiale che possono rivelare dettagli sui cambiamenti nella struttura dell'interno del materiale. Due anni fa, Dennett e Short hanno adattato l'approccio per monitorare gli effetti delle radiazioni. Ora, dopo numerosi test, il sistema è pronto per l'uso da parte dei ricercatori che esplorano lo sviluppo di nuovi materiali per i reattori di nuova generazione, o coloro che cercano di prolungare la vita dei reattori esistenti attraverso una migliore comprensione di come i materiali si degradano nel tempo sotto il duro ambiente di radiazioni all'interno dei recipienti dei reattori.

Il vecchio modo di testare i materiali per la loro risposta alle radiazioni consisteva nell'esporre il materiale per un certo periodo di tempo, poi tiralo fuori e "facci a pezzi per vedere cosa è successo, " spiega Dennett. Invece, "volevamo vedere se si poteva rilevare cosa sta succedendo al materiale durante il processo, e dedurre come sta cambiando la microstruttura."

Il metodo della spettroscopia a reticolo transitorio era già stato sviluppato da altri, ma non era stato usato per cercare gli effetti dei danni da radiazioni, come i cambiamenti nella capacità del materiale di condurre il calore e rispondere alle sollecitazioni senza fessurarsi. L'adattamento della tecnica agli ambienti unici e difficili delle radiazioni ha richiesto anni di sviluppo.

Per simulare gli effetti del bombardamento di neutroni, il tipo di radiazione che causa la maggior parte della degradazione del materiale nell'ambiente di un reattore, i ricercatori usano comunemente fasci ionici, che producono un tipo di danno simile ma sono molto più facili da controllare e più sicuri con cui lavorare. Il team ha utilizzato un acceleratore di ioni da 6 megavolt a Sandia come base per il nuovo sistema. Questi tipi di strutture accelerano i test perché possono simulare anni di esposizione operativa ai neutroni in poche ore.

Utilizzando la capacità di monitoraggio in tempo reale di questo sistema, Dennet dice, è possibile individuare il momento in cui i cambiamenti fisici del materiale iniziano ad accelerare, che tende ad accadere abbastanza improvvisamente e progredire rapidamente. Interrompendo l'esperimento proprio a quel punto, è quindi possibile studiare nel dettaglio cosa accade in questo momento critico. "Questo ci consente di individuare quali sono le ragioni meccanicistiche alla base di questi cambiamenti strutturali, " lui dice.

Short afferma che il sistema potrebbe eseguire studi dettagliati sulle prestazioni di un determinato materiale in poche ore, considerando che altrimenti potrebbero volerci mesi solo per superare la prima iterazione di trovare il punto in cui inizia il degrado. Per una caratterizzazione completa, metodi convenzionali "potrebbero richiedere sei mesi, contro un giorno" utilizzando il nuovo sistema, lui dice.

Nei loro test del sistema, il team ha utilizzato due metalli puri, nichel e tungsteno, ma la struttura può essere utilizzata per testare tutti i tipi di leghe e metalli puri, e potrebbe anche testare molti altri tipi di materiali, dicono i ricercatori. "Uno dei motivi per cui siamo così eccitati qui, "Dennet dice, è che quando hanno descritto questo metodo a convegni scientifici, "tutti quelli con cui abbiamo parlato dicono 'puoi provarlo sul mio materiale?' Tutti hanno un'idea di cosa accadrà se possono testare le proprie cose, e poi possono muoversi molto più velocemente nella loro ricerca."

Le misurazioni effettive effettuate dal sistema, che stimola le vibrazioni nel materiale utilizzando un raggio laser e quindi utilizza un secondo laser per osservare tali vibrazioni in superficie, sondare direttamente la rigidità elastica e le proprietà termiche del materiale, Dennet spiega. Ma quella misurazione può poi essere utilizzata per estrapolare altre caratteristiche correlate, compreso l'accumulo di difetti e danni, lui dice. "È quello che ti dicono sui meccanismi sottostanti" che è più significativo.

La struttura unica, ora in funzione a Sandia, è anche oggetto di lavoro in corso da parte del team per migliorarne ulteriormente le capacità, Dennet dice. "È molto migliorabile, " lui dice, aggiungendo che sperano di aggiungere più strumenti diagnostici diversi per sondare più proprietà dei materiali durante l'irradiazione.

Il lavoro è "un approccio ingegneristico intelligente che consentirà ai ricercatori di caratterizzare la risposta di una varietà di materiali al danno da irradiazione, " dice Laurence J. Jacobs, professore e preside associato per gli affari accademici presso la Georgia Tech, che non è stato coinvolto nello studio. Dice che è "un pezzo eccezionale di ricerca su un non contatto, tecnica di valutazione non distruttiva che consente il real-time, monitoraggio in situ delle proprietà meccaniche di un materiale sottoposto a irradiazione con fascio ionico."

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.