L'energia nucleare è una componente importante del futuro di energia pulita a lungo termine della nostra nazione, ma la tecnologia è stata oggetto di un maggiore controllo sulla scia del recente disastro di Fukushima in Giappone. Infatti, molte nazioni hanno chiesto controlli e "stress test" per garantire che gli impianti nucleari funzionino in sicurezza.

Negli Stati Uniti, circa il 20 percento della nostra elettricità e quasi il 70 percento dell'elettricità da fonti prive di emissioni, comprese le tecnologie rinnovabili e le centrali idroelettriche, è alimentato dal nucleare. Insieme alla produzione di energia, molti degli impianti nucleari del mondo sono utilizzati per la ricerca, prove sui materiali, o la produzione di radioisotopi per l'industria medica. La durata dei componenti materiali strutturali e funzionali in queste strutture è quindi cruciale per garantire un funzionamento affidabile e sicurezza.

Ora gli scienziati del Berkeley Lab, l'Università della California a Berkeley, e il Los Alamos National Laboratory hanno ideato una tecnica di test su nanoscala per materiali irradiati che fornisce proprietà di resistenza ai materiali su macroscala. Questa tecnica potrebbe aiutare ad accelerare lo sviluppo di nuovi materiali per applicazioni nucleari e ridurre la quantità di materiale necessaria per testare gli impianti già in servizio.

"I test meccanici su nanoscala ti danno sempre maggiori punti di forza rispetto alla macroscala, valori di massa per un materiale. Questo è un problema se vuoi effettivamente usare un test su nanoscala per dirti qualcosa sulle proprietà del materiale sfuso, " disse Andrea Minore, uno scienziato di facoltà presso il Centro nazionale per la microscopia elettronica (NCEM) e un professore associato nel dipartimento di scienza e ingegneria dei materiali presso l'UC Berkeley. "Abbiamo dimostrato che si possono effettivamente ottenere proprietà reali da campioni irradiati di appena 400 nanometri di diametro, che apre davvero il campo dei materiali nucleari per sfruttare i test su nanoscala".

In questo studio, Minor e i suoi colleghi hanno condotto prove di compressione su campioni di rame irradiati con protoni ad alta energia, progettato per modellare come i danni da radiazioni influenzino le proprietà meccaniche del rame. Utilizzando un dispositivo di prova meccanico specializzato in situ in un microscopio elettronico a trasmissione presso NCEM, il team ha potuto esaminare, con una risoluzione su scala nanometrica, la natura della deformazione e come è stata localizzata su pochi piani atomici.

I difetti tridimensionali all'interno del rame creati dalla radiazione possono bloccare il movimento dei difetti unidimensionali nella struttura cristallina, chiamate dislocazioni. Questa interazione fa sì che i materiali irradiati diventino fragili, e altera la quantità di forza che un materiale può sopportare prima che alla fine si rompa. Traducendo i valori di resistenza su scala nanometrica in proprietà di massa, questa tecnica potrebbe aiutare i progettisti di reattori a trovare materiali adatti per i componenti ingegneristici negli impianti nucleari.

"Questa tecnica di test su piccola scala potrebbe aiutare a prolungare la vita di un reattore nucleare, " ha detto il coautore Peter Hosemann, un assistente professore nel dipartimento di ingegneria nucleare dell'UC Berkeley. "Utilizzando un campione più piccolo, limitiamo qualsiasi problema di sicurezza relativo alla manipolazione del materiale di prova e potremmo potenzialmente misurare le proprietà esatte di un materiale già utilizzato in un impianto nucleare di 40 anni per assicurarci che questa struttura duri anche in futuro".

Minore aggiunge, "Capire come i materiali si guastano è una domanda meccanicistica fondamentale. Questa prova di studio di principio ci fornisce un sistema modello da cui ora possiamo iniziare a esplorare il reale, materiali pratici applicabili all'energia nucleare. Comprendendo il ruolo dei difetti sulle proprietà meccaniche dei materiali dei reattori nucleari, possiamo progettare materiali più resistenti ai danni da radiazioni, portando a tecnologie nucleari più avanzate e più sicure".