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Era solo un pezzo di spazzatura seduto nel retro di un laboratorio presso la struttura del reattore nucleare del MIT, pronto per essere smaltito. Ma è diventata la chiave per dimostrare un modo più completo per rilevare i danni strutturali a livello atomico nei materiali, un approccio che aiuterà lo sviluppo di nuovi materiali e potrebbe potenzialmente supportare il funzionamento in corso di centrali nucleari senza emissioni di carbonio, che contribuirebbe ad alleviare il cambiamento climatico globale.
Un minuscolo dado in titanio che era stato rimosso dall'interno del reattore era proprio il tipo di materiale necessario per dimostrare che questa nuova tecnica, sviluppata al MIT e in altre istituzioni, fornisce un modo per sondare i difetti creati all'interno dei materiali, compresi quelli che sono stati esposti alle radiazioni, con una sensibilità cinque volte maggiore rispetto ai metodi esistenti.
Il nuovo approccio ha rivelato che gran parte del danno che si verifica all'interno dei reattori è su scala atomica e, di conseguenza, è difficile da rilevare utilizzando i metodi esistenti. La tecnica fornisce un modo per misurare direttamente questo danno attraverso il modo in cui cambia con la temperatura. E potrebbe essere utilizzato per misurare campioni dalla flotta di reattori nucleari attualmente in funzione, consentendo potenzialmente il continuo funzionamento sicuro degli impianti ben oltre la loro durata attualmente in licenza.
I risultati sono riportati nella rivista Science Advances in un articolo dello specialista di ricerca del MIT e neolaureato Charles Hirst Ph.D. '22; i professori del MIT Michael Short, Scott Kemp e Ju Li; e altri cinque presso l'Università di Helsinki, l'Idaho National Laboratory e l'Università della California a Irvine.
Piuttosto che osservare direttamente la struttura fisica di un materiale in questione, il nuovo approccio guarda alla quantità di energia immagazzinata all'interno di quella struttura. Qualsiasi interruzione della struttura ordinata degli atomi all'interno del materiale, come quella causata dall'esposizione alle radiazioni o da sollecitazioni meccaniche, in realtà impartisce energia in eccesso al materiale. Osservando e quantificando tale differenza di energia, è possibile calcolare l'importo totale del danno all'interno del materiale, anche se tale danno è sotto forma di difetti su scala atomica troppo piccoli per essere ripresi con microscopi o altri metodi di rilevamento.
Il principio alla base di questo metodo è stato elaborato in dettaglio attraverso calcoli e simulazioni. Ma sono stati i test effettivi su quel dado in titanio del reattore nucleare del MIT a fornire la prova, aprendo così la porta a un nuovo modo di misurare i danni nei materiali.
Il metodo che hanno usato è chiamato calorimetria a scansione differenziale. Come spiega Hirst, questo è in linea di principio simile agli esperimenti di calorimetria che molti studenti effettuano nelle classi di chimica delle scuole superiori, dove misurano quanta energia ci vuole per aumentare di un grado la temperatura di un grammo d'acqua. Il sistema utilizzato dai ricercatori era "fondamentalmente la stessa identica cosa, misurare i cambiamenti energetici... Mi piace chiamarlo solo un forno di fantasia con una termocoppia all'interno".
La parte di scansione ha a che fare con l'aumento graduale della temperatura un po' alla volta e vedere come risponde il campione, e la parte differenziale si riferisce al fatto che due camere identiche vengono misurate contemporaneamente, una vuota e una contenente il campione in esame . La differenza tra i due rivela i dettagli dell'energia del campione, spiega Hirst.
"Alziamo la temperatura dalla temperatura ambiente fino a 600 gradi Celsius, a una velocità costante di 50 gradi al minuto", afferma. Rispetto al recipiente vuoto, "il tuo materiale sarà naturalmente in ritardo perché hai bisogno di energia per riscaldare il tuo materiale. Ma se ci sono cambiamenti nell'energia all'interno del materiale, ciò cambierà la temperatura. Nel nostro caso, c'è stato un rilascio di energia quando i difetti si ricombinano, e quindi si ottiene un po' di vantaggio sul forno... ed è così che misuriamo l'energia nel nostro campione."
Hirst, che ha svolto il lavoro in un arco di cinque anni come progetto di tesi di dottorato, ha scoperto che, contrariamente a quanto si credeva, il materiale irradiato mostrava che c'erano due diversi meccanismi coinvolti nel rilassamento dei difetti del titanio alle temperature studiate , rivelato da due picchi separati in calorimetria. "Invece del verificarsi di un processo, ne abbiamo visti chiaramente due e ognuno di essi corrisponde a una reazione diversa che sta avvenendo nel materiale", afferma.
Hanno anche scoperto che le spiegazioni da manuale di come si comporta il danno da radiazioni con la temperatura non erano accurate, perché i test precedenti erano stati per lo più eseguiti a temperature estremamente basse e quindi estrapolati alle temperature più elevate delle operazioni del reattore nella vita reale. "Le persone non erano necessariamente consapevoli che stavano estrapolando, anche se lo erano completamente", dice Hirst.
"Il fatto è che la nostra base di conoscenza comune su come si evolve il danno da radiazioni si basa sulla radiazione di elettroni a temperatura estremamente bassa", aggiunge Short. "È appena diventato il modello accettato, ed è quello che viene insegnato in tutti i libri. Ci è voluto del tempo per renderci conto che la nostra comprensione generale era basata su una condizione molto specifica, progettata per chiarire la scienza, ma generalmente non applicabile alle condizioni in cui noi voglio davvero usare questi materiali."
Ora, il nuovo metodo può essere applicato "ai materiali estratti dai reattori esistenti, per saperne di più su come si stanno degradando con il funzionamento", afferma Hirst.
"L'unica cosa più importante che il mondo può fare per ottenere energia a basso costo e senza emissioni di carbonio è mantenere i reattori attuali sulla rete. Sono già pagati, stanno funzionando", aggiunge Short. Ma per renderlo possibile, "l'unico modo per tenerli in griglia è avere più certezza che continueranno a lavorare bene". Ed è qui che entra in gioco questo nuovo modo di valutare i danni.
Mentre la maggior parte delle centrali nucleari è stata autorizzata per 40-60 anni di funzionamento, "stiamo ora parlando di gestire quelle stesse risorse fino a 100 anni, e ciò dipende quasi completamente dai materiali in grado di resistere agli incidenti più gravi". Breve dice. Usando questo nuovo metodo, "possiamo ispezionarli ed eliminarli prima che accada qualcosa di inaspettato".
In pratica, gli operatori dell'impianto potrebbero prelevare un minuscolo campione di materiale dalle aree critiche del reattore e analizzarlo per ottenere un quadro più completo delle condizioni del reattore nel suo complesso. Mantenere in funzione i reattori esistenti è "l'unica cosa più importante che possiamo fare per mantenere alta la quota di energia senza emissioni di carbonio", sottolinea Short. "Questo è un modo in cui pensiamo di poterlo fare."
Il processo non si limita solo allo studio dei metalli, né ai danni causati dalle radiazioni, affermano i ricercatori. In linea di principio, il metodo potrebbe essere utilizzato per misurare altri tipi di difetti nei materiali, come quelli causati da sollecitazioni o onde d'urto, e potrebbe essere applicato anche a materiali come ceramica o semiconduttori.
In effetti, afferma Short, i metalli sono i materiali più difficili da misurare con questo metodo e all'inizio altri ricercatori continuavano a chiedersi perché questo team si concentrasse sui danni ai metalli. Ciò era in parte dovuto al fatto che i componenti del reattore tendono ad essere di metallo e anche perché "È il più difficile, quindi, se risolviamo questo problema, abbiamo uno strumento per risolverli tutti!"
Misurare i difetti in altri tipi di materiali può essere fino a 10.000 volte più facile che nei metalli, dice. "Se riusciamo a farlo con i metalli, possiamo renderlo estremamente, onnipresente." E tutto questo reso possibile da un piccolo pezzo di spazzatura che era sul retro di un laboratorio.
Il gruppo di ricerca comprendeva Fredric Granberg e Kai Nordlund dell'Università di Helsinki in Finlandia; Boopathy Kombaiah e Scott Middlemas all'Idaho National Laboratory; e Penghui Cao all'Università della California a Irvine. + Esplora ulteriormente
