Quando nêutrons ou íons acelerados bombardeiam um material, sua camada superficial sofre dramáticas transformações físicas e químicas. O Centro Nacional de Pesquisa Nuclear em Swierk, na Polônia, conseguiu conhecer detalhadamente os processos que ocorrem em tais situações em polímeros. O conhecimento coletado foi usado pelos físicos para criar um método de produção de super-vedações, eles também propuseram uma maneira simples e rápida de detectar cabos perigosos cujo isolamento de polímero começa a perder suas propriedades isolantes.
A operação segura e confiável de reatores nucleares, e no futuro também de reatores de fusão, depende estritamente da qualidade de seu cabeamento. No entanto, pesquisas realizadas no Centro Nacional de Pesquisa Nuclear (NCBJ) em Świerk, Polônia, mostram que os isolamentos de cabos de polímero, expostos a altas doses de radiação por décadas, perdem gradualmente suas propriedades isolantes. Um grupo de físicos do NCBJ, liderados pelo Prof. Jacek Jagielski, não só conheceu os detalhes desse processo, como também propôs uma técnica fácil de usar para detectar cabos perigosos.

A equipe do Prof. Jagielski vem lidando há muito tempo com questões relacionadas à modificação da camada superficial de materiais com feixes de íons. Há alguns anos, a atenção dos pesquisadores foi atraída para as vedações de polímero. Uma das empresas polonesas estava com problemas naquela época por causa das vedações no equipamento militar fabricado. As máquinas foram exportadas para um país de clima tropical e chuvoso. As vedações dos motores, operando na Polônia sem grandes problemas, começaram a superaquecer e vazar sob as novas condições. Enquanto isso, o contrato forçou o fabricante a substituir toda a unidade de energia defeituosa por causa de uma junta.

O superaquecimento das gaxetas utilizadas em mecanismos móveis é consequência do alto coeficiente de atrito dos polímeros a partir dos quais geralmente são feitos. O grupo do Prof. Jagielski decidiu verificar se a irradiação iônica afeta o coeficiente de atrito. Descobriu-se que uma fina camada superficial de polímero, com cerca de um micrômetro de espessura, endurece consideravelmente como resultado do bombardeio. Seu coeficiente de atrito diminuiu até dez vezes - e isso apesar do fato de que rapidamente cobriu com uma rede de rachaduras.

Uma redução significativa no valor do coeficiente de atrito das juntas de polímero significa na prática uma redução do desgaste dos elementos mecânicos. Mecanismos equipados com gaxetas modificadas, portanto, funcionarão não apenas por mais tempo, mas também com mais eficiência, especialmente porque as rachaduras superficiais podem ser usadas como reservatórios de lubrificante. Em alguns casos, como atuadores pneumáticos, a máquina pode trabalhar mais rápido, levando ao aumento da produtividade.

"Durante a pesquisa sobre juntas, notamos que as propriedades elétricas dos polímeros começaram a mudar devido a defeitos de radiação", diz o Prof. Jagielski. "Então parecia natural fazer outra pergunta:o que acontece com o isolamento dos cabos expostos à radiação, se o isolamento também é feito de polímeros?"

A questão pode parecer um nicho, mas ganha outro significado em um momento em que a eficiência e a segurança da energia nuclear voltam a ser apreciadas. As usinas nucleares modernas são projetadas com pelo menos 60 anos de operação em mente, cada vez mais com a possibilidade de estender até cem. Ao mesmo tempo, cada reator deve ser equipado com vários milhares de quilômetros de cabos menores e maiores. Alguns deles serão expostos ao bombardeio de nêutrons liberados durante as reações nucleares por décadas. Nessa situação, a pergunta sobre o destino dos polímeros que garantem seu isolamento torna-se uma pergunta sobre a segurança energética de milhões de pessoas.

Em reatores nucleares, os materiais são expostos a nêutrons e radiação gama. No entanto, a esmagadora maioria dos defeitos no material irradiado não é causada diretamente por nêutrons ou fótons, mas pelos átomos que eles eliminam ou pelas ligações atômicas quebradas. Na prática, portanto, os defeitos materiais causados ​​por nêutrons não diferem substancialmente daqueles iniciados por íons. Em vez de realizar pesquisas complicadas no reator, a equipe do NCBJ poderia usar um protótipo de implantador de íons industrial de seu próprio projeto.

Materiais isolantes como policloreto de vinila (PVC), teflon (PTFE) e vários tipos de borracha (natural, EPDM, NBR, SBR) foram irradiados. Os pesquisadores estavam interessados ​​na composição química da camada superficial modificada, sua estrutura física e topografia da superfície. Os resultados das medições e suas conclusões acabam de ser apresentados em um extenso artigo publicado no Journal of Applied Physics .

"Os polímeros são compostos principalmente de carbono e hidrogênio", explica Anna Kosińska, a primeira autora do artigo acima mencionado, Ph.D. aluna. "As ligações entre esses elementos estão entre as mais fracas e são quebradas durante o bombardeio com íons rápidos. O átomo de hidrogênio liberado pega seu colega do meio ambiente e de forma molecular escapa do material para o meio ambiente. O que resta é carbono amorfo semelhante à adamantite, que é capaz de conduzir eletricidade. Tudo isso junto significa que o isolamento polimérico dos cabos expostos à radiação perderá suas propriedades isolantes ao longo do tempo."

A atenção dos físicos do NCBJ foi atraída para o fato de que a camada superficial do polímero começa a encolher devido à liberação de hidrogênio. Como resultado, torna-se mais denso do que o original e até dez vezes mais duro do que o original. Pesquisas meticulosas estabeleceram que existe uma clara correlação entre as mudanças nas propriedades mecânicas do isolamento do cabo e sua resistência elétrica. Para saber se o isolamento está funcionando corretamente, basta medir a dureza do isolamento do cabo com um durômetro portátil.

"Percebemos que o método que propomos para detectar alterações na resistência elétrica de isolamentos poliméricos não é perfeitamente preciso. No entanto, tem vantagens funcionais muito significativas:é simples, rápido e permite determinar quase imediatamente se o cabo testado se torna perigoso ", diz o Prof. Jagielski. + Explorar mais

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