Os materiais expostos a um ambiente de alta radiação, como o interior de um vaso de reator nuclear, podem degradar e enfraquecer gradualmente. Mas para determinar exatamente quanto dano esses materiais sofrem geralmente requer a remoção de uma amostra e testá-la em instalações especializadas, um processo que pode levar semanas.

Um método analítico desenvolvido por pesquisadores do Departamento de Química do MIT e aplicado por membros do Laboratório de Materiais Nucleares de Mesoescala do MIT poderia mudar isso, potencialmente permitindo o monitoramento contínuo desses materiais sem a necessidade de removê-los de seu ambiente de radiação. Isso poderia acelerar muito o processo de teste e reduzir a substituição preventiva de materiais que são de fato seguros e utilizáveis.

As descobertas estão sendo relatadas esta semana no jornal Revisão Física B , em um artigo do estudante graduado Cody Dennett, professor assistente de ciência nuclear e engenharia Michael Short, e seis outros.

Quando se trata de medir os danos por radiação em materiais, Short diz:"a maioria das formas atuais são lentas e caras." Por exemplo, o método considerado o padrão ouro para tais testes, microscopia eletrônica de transmissão (TEM), produz dados abrangentes sobre muitos dos defeitos do material que são responsáveis ​​por alterações em suas propriedades. Mas nem todos os defeitos que afetam as propriedades do material podem ser vistos no TEM, portanto, o teste não fornece dados completos.

"Não estamos interessados ​​apenas em quantos vazios ou vagas você tem, "Short diz, referindo-se a lugares onde um ou mais átomos estão faltando na estrutura cristalina do material. "O que realmente queremos saber é como as propriedades dos materiais estão mudando."

A equipe encontrou a resposta em uma técnica chamada espectroscopia de grade transitória. Essencialmente, esta é uma forma de medir as propriedades térmicas e elásticas de materiais induzindo e monitorando ondas acústicas na superfície do material. Embora o sistema apenas "veja" a superfície externa dos materiais, essas vibrações acústicas são afetadas por defeitos de subsuperfície na estrutura do material. O efeito é semelhante à maneira como os geólogos podem construir uma imagem das camadas interiores da Terra estudando a maneira como as ondas sísmicas se propagam em diferentes direções.

O sistema cria essas oscilações acústicas usando dois feixes de laser pulsados ​​direcionados à amostra de forma que as ondas de luz dos dois feixes causem um padrão de interferência. Este padrão de interferência causa aquecimento na superfície da amostra, gerar uma onda acústica estacionária. O movimento da superfície causado por esta onda pode ser monitorado por outro conjunto de lasers. "Nós criamos ondas acústicas ondulantes, "Short diz, "e medir a rapidez com que se movem e decaem, "sem entrar em contato físico com o material de nenhuma forma.

O trabalho da equipe enfrentou inicialmente algum ceticismo. “As pessoas diziam 'como você sabe que [essa técnica] é sensível o suficiente?'”, Diz Short. Mas com experimentos cuidadosos que combinaram "quase perfeitamente" com simulações teóricas, eles provaram a sensibilidade necessária, ele diz. "Essas questões críticas eram importantes para nós ouvirmos, e nos motivou a realizar este estudo. "

Para um teste, a equipe comparou dois lotes de amostras de alumínio que eram compostas de monocristais perfeitos com diferentes orientações de superfície. Embora o arranjo atômico interno fosse diferente, "eles pareciam idênticos ao olho ou ao microscópio, "diz ele." Colocamos todos em nosso dispositivo, e fomos capazes de separá-los todos. "

Para acompanhar seu trabalho inicial, os pesquisadores agora estão trabalhando para provar a sensibilidade de sua técnica a pequenos defeitos na estrutura de um material. "Estamos criando defeitos simples e medindo os sinais, para prever o impacto, "Short diz." Queremos mostrar o quão sensíveis podemos ficar. "

A equipe usou materiais diferentes em seus testes, mas se concentrou principalmente no alumínio de cristal único. Eles escolheram esse material porque era um dos mais desafiadores, Short explica. "Conforme você gira a amostra, sua resposta acústica muda “por causa do alinhamento diferente da estrutura do cristal com as ondas acústicas de superfície induzidas por laser.” Mas muda muito pouco. Então, se pudermos sentir essas mudanças sutis na velocidade das ondas no alumínio, então estamos bem preparados para medir os efeitos da radiação "em outros materiais. Os resultados desses testes mostraram que o dispositivo é sensível o suficiente para detectar mudanças na velocidade das ondas acústicas tão pequenas quanto um décimo de 1 por cento. E pode fornecer seu responde "em segundos, versus meses ou anos "para os métodos existentes.

O método que os pesquisadores desenvolveram para simular diretamente a espectroscopia de grade transiente é tão importante quanto as próprias medições, eles dizem. Usando cuidadosas simulações de dinâmica molecular, os pesquisadores foram capazes de prever com precisão a resposta esperada de cobre e alumínio, e confirme esta previsão com medições. "A implicação mais poderosa para essas simulações, "Short diz, "é que podemos criar novas estruturas no computador e prever seus sinais. Alguns defeitos são muito complexos para prevermos seus sinais usando apenas a teoria. É aí que entra a simulação." A capacidade de usar simulação para explicar medições experimentais na escala atômica também é "extremamente esclarecedora, " ele diz.

"Agora, podemos obter um ponto de dados a cada cinco minutos, onde normalmente você obteria alguns pontos de dados por mês, ", diz ele. Esse teste mais rápido pode ser crucial para permitir o desenvolvimento de novas gerações de material de revestimento para combustível nuclear para novos reatores avançados, ele diz. "Agora, a maior desvantagem de implantar novos reatores são os materiais, e a maior desvantagem disso são os testes. Se pudermos ir de meses para segundos, podemos contornar esse gargalo. "

Embora seus testes iniciais tenham sido feitos com configurações de laboratório maiores, Short diz que deve ser bastante simples reproduzir essas funções em um pequeno, dispositivo portátil que pode ser transportado para testes de campo ou permanentemente montado em pontos de monitoramento estratégicos dentro de uma embarcação de reator.

"Este é um ótimo trabalho com uma bela combinação de trabalho experimental e de modelagem, "diz Felix Hoffman, professor associado de ciência da engenharia na Universidade de Oxford no Reino Unido, que não estava envolvido neste trabalho.

"Os métodos Transient Grating (TG) fornecem uma ótima nova alternativa às técnicas tradicionais de medição dos danos da radiação, pois são rápidos, não destrutivo, e não exigem muito na forma de preparação da amostra, a não ser uma superfície polida, "ele diz." Isso está em forte contraste com TEM, sonda de átomo, ou micromecânica que requerem uma longa preparação de amostra. ... Se o sistema puder ser miniaturizado e tornado suficientemente portátil para permitir medições in situ, isso abriria possibilidades tremendas para sondar a evolução das propriedades materiais devido à irradiação. "

"Os autores demonstraram um avanço significativo e versátil no monitoramento e quantificação de defeitos pontuais em volumes de mesoescala, "diz Steven Zinkle, presidente do departamento de engenharia nuclear da Universidade do Tennessee, que também não estava envolvido neste trabalho. "Com mais refinamento, " ele diz, "a técnica de espectroscopia TG recentemente desenvolvida pode levar a uma melhor compreensão das evoluções de defeitos em tempo real que ocorrem em uma ampla gama de materiais puros e ligas de engenharia durante a exposição ao processamento de feixe de íons ou bombardeio de nêutrons durante a produção de energia em reatores nucleares."

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.