Novas pesquisas de cientistas da Texas A&M University podem ajudar a aumentar a eficiência das usinas nucleares em um futuro próximo. Usando uma combinação de modelagem baseada em física e simulações avançadas, eles encontraram os principais fatores subjacentes que causam danos de radiação a reatores nucleares, o que poderia fornecer informações sobre o projeto de materiais de alto desempenho e mais tolerantes à radiação.
"Os reatores precisam funcionar com maior potência ou usar combustíveis por mais tempo para aumentar seu desempenho. Mas então, nessas configurações, o risco de desgaste também aumenta", disse o Dr. Karim Ahmed, professor assistente do Departamento de Engenharia Nuclear. “Portanto, há uma necessidade premente de criar melhores projetos de reatores, e uma maneira de atingir esse objetivo é otimizar os materiais usados ​​para construir os reatores nucleares”.

Os resultados do estudo são publicados na revista Frontiers in Materials .

De acordo com o Departamento de Energia, a energia nuclear supera todos os outros recursos naturais na produção de energia e responde por 20% da geração de eletricidade dos Estados Unidos. A fonte de energia nuclear são as reações de fissão, em que um isótopo de urânio se divide em elementos filhos após um golpe de nêutrons em movimento rápido. Essas reações geram enorme calor, de modo que as peças dos reatores nucleares, principalmente as bombas e tubulações, são feitas com materiais que possuem excepcional resistência e resistência à corrosão.

No entanto, as reações de fissão também produzem radiação intensa que causa uma deterioração nos materiais estruturais do reator nuclear. No nível atômico, quando a radiação energética se infiltra nesses materiais, ela pode arrancar os átomos de suas localizações, causando defeitos pontuais, ou forçar os átomos a ocupar pontos vagos, formando defeitos intersticiais. Ambas as imperfeições perturbam o arranjo regular dos átomos dentro da estrutura cristalina do metal. E então, o que começa como pequenas imperfeições crescem para formar vazios e loops de deslocamento, comprometendo as propriedades mecânicas do material ao longo do tempo.

Embora haja alguma compreensão do tipo de defeitos que ocorrem nesses materiais após a exposição à radiação, Ahmed disse que tem sido árduo modelar como a radiação, juntamente com outros fatores, como a temperatura do reator e a microestrutura do material, juntos contribuem para os defeitos de formação e seu crescimento.

"O desafio é o custo computacional", disse ele. "No passado, as simulações eram limitadas a materiais específicos e para regiões que abrangem alguns mícrons, mas se o tamanho do domínio for aumentado para até 10s de mícrons, a carga computacional aumenta drasticamente."

Em particular, os pesquisadores disseram que para acomodar tamanhos de domínio maiores, estudos anteriores comprometeram o número de parâmetros dentro das equações diferenciais da simulação. No entanto, uma consequência indesejável de ignorar alguns parâmetros em detrimento de outros é uma descrição imprecisa do dano de radiação.

Para superar essas limitações, Ahmed e sua equipe projetaram sua simulação com todos os parâmetros, sem fazer suposições sobre se um deles era mais pertinente que o outro. Além disso, para executar as tarefas computacionalmente pesadas, eles usaram os recursos fornecidos pelo grupo Texas A&M High Performance Research Computing.

Ao executar a simulação, sua análise revelou que o uso de todos os parâmetros em combinações não lineares produz uma descrição precisa dos danos causados ​​pela radiação. Em particular, além da microestrutura do material, a condição de radiação dentro do reator, o projeto do reator e a temperatura também são importantes para prever a instabilidade nos materiais devido à radiação.

Por outro lado, o trabalho dos pesquisadores também esclarece por que nanomateriais especializados são mais tolerantes a vazios e loops de deslocamento. Eles descobriram que as instabilidades só são desencadeadas quando a borda que envolve os aglomerados de cristais atômicos co-orientados, ou limite de grão, está acima de um tamanho crítico. Assim, os nanomateriais com seus tamanhos de grão extremamente finos suprimem as instabilidades, tornando-se assim mais tolerantes à radiação.

"Embora o nosso seja um estudo teórico e de modelagem fundamental, achamos que ajudará a comunidade nuclear a otimizar materiais para diferentes tipos de aplicações de energia nuclear, especialmente novos materiais para reatores que são mais seguros, eficientes e econômicos", disse Ahmed. “Esse progresso acabará aumentando nossa contribuição de energia limpa e livre de carbono”.

Dr. Abdurrahman Ozturk, assistente de pesquisa no departamento de engenharia nuclear, é o principal autor deste trabalho. Merve Gencturk, estudante de pós-graduação do departamento de engenharia nuclear, também contribuiu para esta pesquisa.