Testy materiałów jądrowych w skali nano

Niedawna katastrofa w Fukushimie w Japonii przywołała obawy na temat bezpieczeństwa energetyki jądrowej, dotyczące bardziej rygorystycznych kontroli w elektrowniach jądrowych. Naukowcy z Berkeley Lab, University of California z Berkeley oraz z Los Alamos National Laboratory opracowali nową technikę testowania napromieniowanych materiałów w nanoskali, dostarczającą informacji na temat ich wytrzymałości. Metoda ta może w znacznym stopniu zmniejszyć ilość materiałów wymaganych do przeprowadzania badań oraz wspomóc projektowanie nowych, ulepszonych materiałów do zastosowań w przemyśle jądrowym.

Energia jądrowa doszła do głosu w latach pięćdziesiątych i sześćdziesiątych ubiegłego wieku powodując powstanie w tym czasie wielu elektrowni jądrowych na całym świecie. Energia jądrowa stanowi obecnie około 20% światowej energii elektrycznej, w tym 50% w Europie Zachodniej i aż 80% we Francji. Oprócz wytwarzania energii, wiele obiektów jądrowych jest również wykorzystywanych do badań naukowych oraz do produkcji radioizotopów medycznych stosowanych w szpitalach i klinikach. Celem zapewnienia bezpiecznej pracy, materiały konstrukcyjne stosowane w elektrowniach jądrowych poddawane są regularnym testom. Pomimo istnienia rozbudowanych metod i procedur kontroli jakości, inżynierowie na całym świecie wciąż poszukują prostszych, mniej inwazyjnych metod kontroli tychże materiałów. Nowa technika, opracowana przez zespoły badawcze z Kalifornii, umożliwia przeprowadzanie pomiarów na próbkach o wielkości 400 nm, dając w wyniku informację na temat mechanicznej wytrzymałości badanego materiału w skali makro.

Deformacja płaszczyzn atomowych

Wyniki uzyskane przez naukowców były efektem przeprowadzenia prób ściskania, za pomocą płaskiego diamentowego „stempla”, na próbkach miedzi napromieniowanych wysokoenergetycznymi protonami (1,1 MeV). Energia protonów odpowiadała średniej energii cząstek stosowanych w elektrowniach jądrowych. Przeprowadzone badania miały odpowiedzieć na pytanie, w jaki sposób uszkodzenia materiału, będące efektem silnego napromieniowania, wpływają na ich właściwości mechaniczne. Używając mechanicznego urządzenia in-situ będącego na wyposażeniu elektroskopu transmisyjnego, zespół badaczy był w stanie obserwować deformację materiału w skali nano, na podstawie której stwierdził, że deformacja materiału ogranicza się tylko do kilku płaszczyzn atomowych.

Przed przeprowadzeniem prób ściskających, próbki miedzi zawierały niewielkie defekty trójwymiarowe o bardzo dużej gęstości – zjawisko typowe dla napromieniowanych próbek. Po testach, naukowcy dostrzegli niewielki jednowymiarowy odcinek dyslokacji, jak również niektóre z pierwotnych defektów trójwymiarowych. Trójwymiarowe defekty w miedzi mogą blokować ruch jednowymiarowych dyslokacji sprawiając, że materiał staje się bardziej kruchy i podatny na złamania przy znacznie mniejszym obciążeniu. Zespół z USA potwierdził to w wyniku przeprowadzenia badań obciążenia napromieniowanych i nienapromieniowanych próbek.

Jeden z badaczy przyznał, że opracowana przez nich technika może pomóc inżynierom w znalezieniu lepszych materiałów do zastosowań w elektrowniach atomowych. „A poprzez używanie do badań znacznie mniejszych próbek, możemy ograniczyć wszelkie kwestie bezpieczeństwa związane z obchodzeniem się z badanym materiałem”, powiedział. „Możemy zbadać właściwości zastosowanego materiału np. w 40-letnim obiekcie jądrowym, aby upewnić się o jego przydatności w dalszej eksploatacji.” Zrozumienie wpływu defektów na właściwości mechaniczne materiałów stosowanych w reaktorach jądrowych jest kluczowe z punktu widzenia projektowania nowych materiałów, które będą bardziej odporne na emisję promieniowania, co będzie prowadzić do bardziej zaawansowanej i bezpieczniejszej technologii jądrowej.

Artykuł pochodzi ze strony: physicsworld.com