Лучший способ количественной оценки радиационного повреждения материалов

Apr 28, 2024

Изображения для загрузки на веб-сайте офиса новостей MIT предоставляются некоммерческим организациям, прессе и широкой публике в соответствии с некоммерческой лицензией Creative Commons «С указанием авторства». Вы не можете изменять предоставленные изображения, кроме как обрезать их до нужного размера. При воспроизведении изображений необходимо использовать кредитную линию; если оно не указано ниже, укажите авторство изображений в «MIT».

Предыдущее изображение Следующее изображение

Это был просто кусок мусора, лежащий в задней части лаборатории ядерного реактора Массачусетского технологического института и готовый к утилизации. Но это стало ключом к демонстрации более комплексного способа обнаружения структурных повреждений материалов на атомном уровне — подхода, который поможет разработке новых материалов и потенциально может поддержать текущую эксплуатацию атомных электростанций без выбросов углерода, которые поможет смягчить глобальное изменение климата.

Крошечная титановая гайка, извлеченная изнутри реактора, была именно тем материалом, который был нужен, чтобы доказать, что этот новый метод, разработанный в Массачусетском технологическом институте и других институтах, дает возможность исследовать дефекты, созданные внутри материалов, в том числе те, которые были открыты. к радиации, с чувствительностью в пять раз большей, чем существующие методы.

Новый подход показал, что большая часть повреждений, происходящих внутри реакторов, имеет атомный масштаб, и в результате их трудно обнаружить с помощью существующих методов. Этот метод дает возможность напрямую измерить этот ущерб по тому, как он меняется в зависимости от температуры. И его можно было бы использовать для измерения проб из действующего в настоящее время парка ядерных реакторов, что потенциально позволит продолжать безопасную эксплуатацию электростанций намного дольше, чем их нынешний лицензированный срок службы.

Результаты опубликованы сегодня в журнале Science Advances в статье специалиста по исследованиям Массачусетского технологического института и недавнего выпускника Чарльза Херста, доктора философии '22; профессора Массачусетского технологического института Майкл Шорт, Скотт Кемп и Джу Ли; и еще пять человек из Хельсинкского университета, Национальной лаборатории Айдахо и Калифорнийского университета в Ирвине.

Вместо того чтобы напрямую наблюдать физическую структуру рассматриваемого материала, новый подход рассматривает количество энергии, запасенной внутри этой структуры. Любое нарушение упорядоченной структуры атомов внутри материала, например, вызванное радиационным воздействием или механическими напряжениями, фактически передает материалу избыточную энергию. Наблюдая и количественно оценивая эту разницу в энергии, можно рассчитать общий объем повреждений внутри материала — даже если эти повреждения представляют собой дефекты атомного масштаба, которые слишком малы, чтобы их можно было отобразить с помощью микроскопов или других методов обнаружения.

Принцип этого метода был детально разработан посредством расчетов и моделирования. Но именно испытания одной титановой гайки ядерного реактора Массачусетского технологического института предоставили доказательство и, таким образом, открыли дверь к новому способу измерения повреждений материалов.

Метод, который они использовали, называется дифференциальной сканирующей калориметрией. Как объясняет Херст, это в принципе похоже на калориметрические эксперименты, которые многие ученики проводят на уроках химии в старших классах, где измеряют, сколько энергии нужно, чтобы повысить температуру грамма воды на один градус. Система, которую использовали исследователи, «по сути была той же самой, измеряя энергетические изменения. … Мне нравится называть это просто причудливой печью с термопарой внутри».

Часть сканирования связана с постепенным повышением температуры и наблюдением за реакцией образца, а дифференциальная часть относится к тому факту, что одновременно измеряются две идентичные камеры: одна пустая, а другая содержит исследуемый образец. . Разница между ними раскрывает детали энергии образца, объясняет Херст.

«Мы повышаем температуру от комнатной до 600 градусов по Цельсию с постоянной скоростью 50 градусов в минуту», — говорит он. По сравнению с пустым сосудом «ваш материал, естественно, будет отставать, потому что вам нужна энергия для нагрева вашего материала. Но если внутри материала произойдут изменения в энергии, это приведет к изменению температуры. В нашем случае произошло выделение энергии при рекомбинации дефектов, а затем печь получила небольшое преимущество… и именно так мы измеряем энергию в нашем образце».