A radiação quase sempre degrada os materiais expostos a ela, acelerando sua deterioração e exigindo a substituição de componentes-chave em ambientes de alta radiação, como reatores nucleares. Mas para certas ligas que podem ser usadas em reatores de fissão ou fusão, o oposto acaba sendo verdade:pesquisadores do MIT e da Califórnia descobriram que, em vez de acelerar a degradação do material, radiação realmente melhora sua resistência, potencialmente dobrando a vida útil do material.

A descoberta pode ser uma vantagem para alguns novos, projetos de reatores de ponta, incluindo reatores de fissão resfriados com sal fundido, e novos reatores de fusão, como o projeto ARC que está sendo desenvolvido pelo MIT e pela Commonwealth Fusion Systems.

A descoberta, o que foi uma surpresa para os cientistas nucleares, é relatado hoje no jornal Nature Communications , em um artigo do professor de ciência nuclear e engenharia do MIT Michael Short, estudante de graduação Weiyue Zhou, e cinco outros no MIT e no Lawrence Berkeley National Laboratory.

Short diz que a descoberta foi um pouco acidental; na verdade, os pesquisadores estavam procurando quantificar o efeito oposto. Inicialmente, eles queriam determinar quanta radiação aumentaria a taxa de corrosão em certas ligas de níquel e cromo que podem ser usadas como revestimento para conjuntos de combustível nuclear.

Os experimentos eram difíceis de realizar, porque é impossível medir as temperaturas diretamente na interface entre o sal fundido, usado como refrigerante, e a superfície da liga metálica. Assim, foi necessário descobrir as condições indiretamente, circundando o material com uma bateria de sensores. Desde o começo, no entanto, os testes mostraram sinais do efeito oposto - corrosão, a principal causa de falha de materiais no ambiente hostil de um vaso de reator, parecia ser reduzido em vez de acelerado quando era banhado em radiação, neste caso, um alto fluxo de prótons.

"Repetimos dezenas de vezes, com diferentes condições, "Short diz, "e sempre obtivemos os mesmos resultados" mostrando corrosão retardada.

O tipo de ambiente do reator que a equipe simulou em seus experimentos envolve o uso de sódio fundido, lítio, e sal de potássio como um refrigerante para as barras de combustível nuclear em um reator de fissão e o recipiente de vácuo em torno de um superquente, plasma em turbilhão em um futuro reator de fusão. Onde o sal fundido quente está em contato com o metal, a corrosão pode ocorrer rapidamente, mas com essas ligas de níquel-cromo, eles descobriram que a corrosão demorou duas vezes mais para se desenvolver quando o material foi banhado pela radiação de um acelerador de prótons, produzindo um ambiente de radiação semelhante ao que seria encontrado nos reatores propostos.

Ser capaz de prever com mais precisão a vida útil de componentes críticos do reator pode reduzir a necessidade de preempção, substituição antecipada de peças, Short diz.

Análise cuidadosa de imagens das superfícies de liga afetadas usando microscopia eletrônica de transmissão, após irradiar o metal em contato com sal fundido a 650 graus Celsius, (uma temperatura de operação típica para sal em tais reatores), ajudou a revelar o mecanismo que causou o efeito inesperado. A radiação tende a criar defeitos mais minúsculos na estrutura da liga, e esses defeitos permitem que os átomos do metal se difundam mais facilmente, fluindo para preencher rapidamente os vazios criados pelo sal corrosivo. Com efeito, o dano da radiação promove uma espécie de mecanismo de autocura dentro do metal.

Houve indícios de tal efeito meio século atrás, quando experimentos com um reator de fissão resfriado a sal experimental inicial mostraram corrosão menor do que o esperado em seus materiais, mas as razões para isso permaneceram um mistério até este novo trabalho, Short diz. Mesmo após as descobertas experimentais iniciais desta equipe, Short diz:"levou muito mais tempo para entendermos."

A descoberta pode ser relevante para uma variedade de novos projetos propostos para reatores que podem ser mais seguros e eficientes do que os projetos existentes, Short diz. Vários projetos para reatores de fissão resfriados a sal foram propostos, incluindo um por uma equipe liderada por Charles Forsberg, um cientista pesquisador principal no Departamento de Ciência e Engenharia Nuclear do MIT. As descobertas também podem ser úteis para vários projetos propostos para novos tipos de reatores de fusão sendo ativamente buscados por empresas iniciantes, que possuem o potencial de fornecer eletricidade sem emissões de gases de efeito estufa e muito menos resíduos radioativos.

"Não é particular para nenhum projeto, "Short diz." Ajuda a todos. "

Esta história foi republicada por cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisas do MIT, inovação e ensino.