Um microscópio eletrônico revela as cavidades induzidas por radiação dentro de amostras de níquel puro e ligas. As cavidades nas ligas de níquel-cobalto-ferro e níquel-cobalto-ferro-cromo-manganês são 100 vezes menores do que as do níquel puro. Crédito:Wang Group, Universidade de Michigan
Em descobertas que podem mudar a forma como indústrias como a energia nuclear e aeroespacial procuram materiais que resistam à exposição à radiação, Pesquisadores da Universidade de Michigan descobriram que ligas metálicas com três ou mais elementos em concentrações iguais podem ser notavelmente resistentes ao inchaço induzido por radiação.
O grande problema enfrentado pelos metais bombardeados com radiação em altas temperaturas - como os metais que compõem o revestimento do combustível nuclear - é que eles tendem a inchar significativamente. Eles podem até dobrar de tamanho.
"Primeiro, pode interferir com outras partes da estrutura, mas também quando incha, a resistência do material muda. A densidade do material cai, "disse Lumin Wang, Professor U-M de engenharia nuclear e ciências radiológicas. "Pode amolecer em altas temperaturas ou endurecer em baixas temperaturas."
Isso acontece porque quando uma partícula voa para dentro do metal e bate um átomo para fora da estrutura do cristal, esse átomo deslocado pode viajar rapidamente através do cristal metálico. Enquanto isso, o espaço vazio deixado para trás não se move muito rápido. Se muitos átomos forem removidos da mesma área, esses espaços vazios podem se aglutinar em cavidades consideráveis.
Para controlar a formação dessas cavidades, e o inchaço concomitante, a pesquisa mais recente se concentrou na criação de micro e nanoestruturas dentro do metal como "pias" especialmente projetadas para absorver pequenos defeitos de forma a preservar a integridade do material. Mas Wang e seus colegas estão chutando a velha escola, olhando para ligas que não têm quebras na estrutura cristalina dos átomos.
Um microscópio eletrônico revela as cavidades induzidas por radiação dentro de uma amostra de níquel puro. As cavidades nas ligas de níquel-cobalto-ferro e níquel-cobalto-ferro-cromo-manganês são 100 vezes menores. Crédito:Wang Group, Universidade de Michigan
Colegas do Oak Ridge National Laboratory, no Tennessee, criaram amostras de uma variedade de ligas à base de níquel. Em seguida, eles foram expostos à radiação em uma instalação da Universidade do Tennessee. As ligas de maior sucesso foram soluções sólidas concentradas - cristais feitos de partes iguais de níquel, cobalto e ferro; ou níquel, cobalto, ferro, cromo e manganês.
"Esses materiais têm muitas propriedades boas, como resistência e ductilidade, e agora podemos adicionar tolerância à radiação, "disse Chenyang Lu, um pesquisador de pós-doutorado da U-M em engenharia nuclear e ciências radiológicas e o principal autor do relatório em Nature Communications .
Em um experimento proposto por Wang, Os pesquisadores da UT expuseram as amostras a feixes de radiação que criaram dois níveis de danos, semelhante ao que pode se acumular no núcleo de um reator ao longo de vários anos e ao longo de várias décadas. Esses experimentos foram feitos a uma temperatura de 500 Celsius ou 932 Fahrenheit - uma temperatura na qual ligas à base de níquel costumam ter tendência a inchar.
Essas amostras foram analisadas no Centro de Caracterização de Materiais da U-M com um microscópio eletrônico de transmissão. A equipe descobriu que, em comparação com o níquel puro, as melhores ligas tinham mais de 100 vezes menos danos por radiação.
Para explicar o que há de especial nessas ligas, a equipe trabalhou em estreita colaboração com o grupo de Fei Gao, um teórico e professor U-M de engenharia nuclear e ciências radiológicas. O grupo de Gao realizou simulações de computador no nível de átomos individuais e mostrou que a tolerância à radiação neste grupo de ligas pode ser atribuída à forma como os átomos deslocados viajam dentro do material. A explicação foi posteriormente confirmada por outro conjunto de experimentos conduzidos pela equipe da Universidade de Wisconsin.
Um microscópio eletrônico revela as cavidades induzidas por radiação dentro de uma amostra de liga de níquel-cobalto-ferro-cromo-manganês. As cavidades no níquel puro são 100 vezes maiores. Crédito:Wang Group, Universidade de Michigan
"Em termos simplificados, se houver muitos átomos de tamanhos diferentes, você pode considerá-los saliências ou buracos, - disse Wang. - Portanto, esse defeito não será transmitido com tanta facilidade. Ele vai pular e ficar mais lento. "
Como os átomos deslocados e os buracos na estrutura do cristal ficaram próximos um do outro, eles eram muito mais propensos a se encontrarem. Com efeito, isso reparou muitas das lacunas nas ligas complicadas antes que pudessem se juntar em cavidades maiores.
"Com base neste estudo, agora entendemos como desenvolver uma matriz tolerante à radiação de uma liga, "Disse Wang.
O estudo, intitulado "Aumentando a tolerância à radiação controlando a mobilidade do defeito e as vias de migração em ligas monofásicas multicomponentes, " aparece em Nature Communications .
