Un modo migliore per quantificare i danni da radiazioni nei materiali

Apr 28, 2024

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Era solo un pezzo di spazzatura depositato 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 di rilevare 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 prive di emissioni di carbonio, che contribuirebbe ad alleviare il cambiamento climatico globale.

Un minuscolo dado di titanio 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 dei danni che si verificano all’interno dei reattori sono su scala atomica e, di conseguenza, sono difficili 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 provenienti dalla flotta di reattori nucleari attualmente operativi, consentendo potenzialmente il proseguimento del funzionamento sicuro degli impianti ben oltre la loro durata di vita attualmente autorizzata.

I risultati sono riportati oggi sulla rivista Science Advances in un articolo dello specialista di ricerca del MIT e neolaureato Charles Hirst PhD '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.

Invece di osservare direttamente la struttura fisica di un materiale in questione, il nuovo approccio esamina la 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 stress meccanici, conferisce effettivamente 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 che sono troppo piccoli per essere visualizzati 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 reali su quel dado di titanio del reattore nucleare del MIT a fornire la prova – e quindi ad aprire la porta a un nuovo modo di misurare i danni nei materiali.

Il metodo utilizzato è chiamato calorimetria a scansione differenziale. Come spiega Hirst, questo è simile in linea di principio agli esperimenti di calorimetria che molti studenti svolgono nelle lezioni di chimica delle scuole superiori, dove misurano la quantità di energia necessaria per aumentare di un grado la temperatura di un grammo d'acqua. Il sistema utilizzato dai ricercatori era “fondamentalmente la stessa identica cosa, misurando i cambiamenti energetici. … Mi piace chiamarla semplicemente una fornace stravagante 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, mentre la parte differenziale si riferisce al fatto che vengono misurate due camere identiche contemporaneamente, una vuota e l'altra contenente il campione studiato . 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 vaso vuoto, “il tuo materiale rimarrà naturalmente indietro perché hai bisogno di energia per riscaldarlo. 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 avrà un po' di vantaggio sulla fornace... ed è così che misuriamo l'energia nel nostro campione."