A fim de avaliar a capacidade de um material de resistir ao ambiente de alta radiação dentro de um reator nuclear, pesquisadores têm tradicionalmente usado um método conhecido como "cozinhar e olhar, "o que significa que o material é exposto a alta radiação e depois removido para um exame físico. Mas esse processo é tão lento que inibe o desenvolvimento de novos materiais para futuros reatores.

Agora, pesquisadores do MIT e Sandia National Laboratories desenvolveram, testado, e disponibilizou um novo sistema que pode monitorar mudanças induzidas por radiação continuamente, fornecendo dados mais úteis com muito mais rapidez do que os métodos tradicionais.

Com muitas usinas nucleares chegando ao fim de sua vida útil de acordo com os regulamentos atuais, conhecer a condição dos materiais dentro deles pode ser fundamental para entender se sua operação pode ser estendida com segurança, e em caso afirmativo, por quanto.

O novo sistema baseado em laser pode ser usado para observar mudanças nas propriedades físicas dos materiais, como sua elasticidade e difusividade térmica, sem destruí-los ou alterá-los, dizem os pesquisadores. As descobertas são descritas no jornal Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B, em um artigo do estudante de doutorado do MIT Cody A. Dennett, professor de ciência nuclear e engenharia Michael P. Short, e o tecnólogo Daniel L. Buller e o cientista Khalid Hattar de Sandia.

O novo sistema, com base em uma tecnologia chamada espectroscopia de grade transitória, usa feixes de laser para sondar mudanças mínimas na superfície de um material que podem revelar detalhes sobre mudanças na estrutura do interior do material. Dois anos atrás, Dennett e Short adaptaram a abordagem para monitorar os efeitos da radiação. Agora, após testes extensivos, o sistema está pronto para uso por pesquisadores que exploram o desenvolvimento de novos materiais para reatores de próxima geração, ou aqueles que procuram estender a vida dos reatores existentes por meio de uma melhor compreensão de como os materiais se degradam ao longo do tempo sob o ambiente de radiação severa dentro dos vasos do reator.

A velha maneira de testar materiais para sua resposta à radiação era expor o material por algum tempo, em seguida, retire-o e "esmague-o em pedaços para ver o que aconteceu, "Dennett explica. Em vez disso, "queríamos ver se você poderia detectar o que está acontecendo com o material durante o processo, e inferir como a microestrutura está mudando. "

O método de espectroscopia de grade transiente já havia sido desenvolvido por outros, mas não tinha sido usado para procurar os efeitos dos danos da radiação, como mudanças na capacidade do material de conduzir calor e responder às tensões sem rachar. Adaptar a técnica aos ambientes hostis e únicos de radiação exigiu anos de desenvolvimento.

Para simular os efeitos do bombardeio de nêutrons - o tipo de radiação que causa a maior parte da degradação do material em um ambiente de reator - os pesquisadores costumam usar feixes de íons, que produzem um tipo de dano semelhante, mas são muito mais fáceis de controlar e mais seguros de se trabalhar. A equipe usou uma instalação de acelerador de íons de 6 megavolts em Sandia como base para o novo sistema. Esses tipos de instalações aceleram os testes porque podem simular anos de exposição operacional a nêutrons em apenas algumas horas.

Usando a capacidade de monitoramento em tempo real deste sistema, Dennett diz, é possível apontar o momento em que as mudanças físicas no material começam a acelerar, que tende a acontecer bastante repentinamente e progride rapidamente. Parando o experimento exatamente nesse ponto, então é possível estudar em detalhes o que acontece neste momento crítico. "Isso nos permite definir quais são as razões mecanicistas por trás dessas mudanças estruturais, " ele diz.

Short diz que o sistema poderia realizar estudos detalhados do desempenho de um determinado material em questão de horas, ao passo que, de outra forma, poderia levar meses apenas para passar pela primeira iteração de encontrar o ponto em que a degradação se instala. Para uma caracterização completa, métodos convencionais "pode ​​levar meio ano, versus um dia "usando o novo sistema, ele diz.

Em seus testes do sistema, a equipe usou dois metais puros - níquel e tungstênio - mas a instalação pode ser usada para testar todos os tipos de ligas, bem como metais puros, e também pode testar muitos outros tipos de materiais, dizem os pesquisadores. "Uma das razões pelas quais estamos tão animados aqui, "Dennett diz, é que quando eles descreveram este método em conferências científicas, "todos com quem conversamos dizem 'você pode experimentar no meu material?' Todo mundo tem uma ideia do que vai acontecer se puderem testar suas próprias coisas, e então eles podem se mover muito mais rápido em suas pesquisas. "

As medições reais feitas pelo sistema, que estimula vibrações no material usando um feixe de laser e, em seguida, usa um segundo laser para observar essas vibrações na superfície, sonda diretamente a rigidez elástica e as propriedades térmicas do material, Dennett explica. Mas essa medição pode então ser usada para extrapolar outras características relacionadas, incluindo defeito e acúmulo de danos, ele diz. "É o que eles dizem sobre os mecanismos subjacentes" que é mais significativo.

A facilidade única, agora em operação em Sandia, também é objeto de trabalho contínuo da equipe para melhorar ainda mais suas capacidades, Dennett diz. "É muito improvável, " ele diz, acrescentando que eles esperam adicionar mais ferramentas de diagnóstico diferentes para sondar mais propriedades dos materiais durante a irradiação.

O trabalho é "uma abordagem de engenharia inteligente que permitirá aos pesquisadores caracterizar a resposta de uma variedade de materiais aos danos da irradiação, "diz Laurence J. Jacobs, professor e reitor associado para assuntos acadêmicos na Georgia Tech, que não estava envolvido no estudo. Ele diz que é "uma excelente pesquisa sobre um não-contato, técnica de avaliação não destrutiva que permite o tempo real, monitoramento in situ das propriedades mecânicas de um material submetido à irradiação por feixe de íons. "

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.