Era apenas um pedaço de lixo nos fundos de um laboratório nas instalações do Reator Nuclear do MIT, pronto para ser descartado. Mas tornou-se a chave para demonstrar uma maneira mais abrangente de detectar danos estruturais em nível atômico em materiais - uma abordagem que ajudará no desenvolvimento de novos materiais e poderia apoiar a operação contínua de usinas nucleares livres de emissão de carbono, que ajudaria a aliviar a mudança climática global.
Uma minúscula porca de titânio que havia sido removida de dentro do reator era exatamente o tipo de material necessário para provar que essa nova técnica, desenvolvida no MIT e em outras instituições, fornece uma maneira de sondar defeitos criados dentro de materiais, incluindo aqueles que foram expostos à radiação, com sensibilidade cinco vezes maior do que os métodos existentes.

A nova abordagem revelou que grande parte do dano que ocorre dentro dos reatores está na escala atômica e, como resultado, é difícil detectar usando os métodos existentes. A técnica fornece uma maneira de medir diretamente esse dano através da maneira como ele muda com a temperatura. E poderia ser usado para medir amostras da frota de reatores nucleares atualmente em operação, potencialmente permitindo a operação segura contínua de usinas muito além de suas vidas atualmente licenciadas.

Os resultados são relatados na revista Science Advances em um artigo do especialista em pesquisa do MIT e recém-formado Charles Hirst Ph.D. '22; os professores do MIT Michael Short, Scott Kemp e Ju Li; e outros cinco na Universidade de Helsinque, no Laboratório Nacional de Idaho e na Universidade da Califórnia em Irvine.

Em vez de observar diretamente a estrutura física de um material em questão, a nova abordagem analisa a quantidade de energia armazenada nessa estrutura. Qualquer interrupção na estrutura ordenada dos átomos dentro do material, como a causada pela exposição à radiação ou por tensões mecânicas, na verdade transmite excesso de energia ao material. Ao observar e quantificar essa diferença de energia, é possível calcular a quantidade total de dano dentro do material – mesmo que esse dano seja na forma de defeitos em escala atômica que sejam pequenos demais para serem visualizados com microscópios ou outros métodos de detecção.

O princípio por trás desse método foi elaborado em detalhes por meio de cálculos e simulações. Mas foram os testes reais naquela porca de titânio do reator nuclear do MIT que forneceram a prova – e, assim, abriram a porta para uma nova maneira de medir danos em materiais.

O método que eles usaram é chamado de calorimetria de varredura diferencial. Como explica Hirst, isso é semelhante em princípio aos experimentos de calorimetria que muitos alunos realizam nas aulas de química do ensino médio, onde medem quanta energia é necessária para aumentar a temperatura de um grama de água em um grau. O sistema que os pesquisadores usaram era "fundamentalmente a mesma coisa, medindo mudanças energéticas. ... Eu gosto de chamá-lo apenas de um forno chique com um termopar dentro".

A parte de varredura tem a ver com o aumento gradual da temperatura um pouco de cada vez e ver como a amostra responde, e a parte diferencial refere-se ao fato de que duas câmaras idênticas são medidas de uma só vez, uma vazia e outra contendo a amostra em estudo . A diferença entre os dois revela detalhes da energia da amostra, explica Hirst.

"Nós aumentamos a temperatura da temperatura ambiente até 600 graus Celsius, a uma taxa constante de 50 graus por minuto", diz ele. Comparado com o recipiente vazio, "seu material ficará naturalmente atrasado porque você precisa de energia para aquecê-lo. Mas se houver mudanças na energia dentro do material, isso mudará a temperatura. No nosso caso, houve uma liberação de energia quando os defeitos se recombinam, e então ele terá um pouco de vantagem no forno... e é assim que estamos medindo a energia em nossa amostra."

Hirst, que realizou o trabalho ao longo de cinco anos como seu projeto de tese de doutorado, descobriu que, ao contrário do que se acreditava, o material irradiado mostrou que havia dois mecanismos diferentes envolvidos no relaxamento de defeitos em titânio nas temperaturas estudadas , revelado por dois picos separados na calorimetria. "Em vez de ocorrer um processo, vimos claramente dois, e cada um deles corresponde a uma reação diferente que está acontecendo no material", diz ele.

Eles também descobriram que as explicações dos livros didáticos sobre como os danos da radiação se comportam com a temperatura não eram precisas, porque os testes anteriores foram realizados principalmente em temperaturas extremamente baixas e depois extrapolados para as temperaturas mais altas das operações do reator da vida real. “As pessoas não estavam necessariamente cientes de que estavam extrapolando, embora estivessem, completamente”, diz Hirst.

“O fato é que nossa base de conhecimento comum sobre como os danos de radiação evoluem é baseada na radiação de elétrons de temperatura extremamente baixa”, acrescenta Short. "Ele acabou de se tornar o modelo aceito, e é isso que é ensinado em todos os livros. Demorou um pouco para percebermos que nosso entendimento geral era baseado em uma condição muito específica, destinada a elucidar a ciência, mas geralmente não aplicável às condições em que realmente deseja usar esses materiais."

Agora, o novo método pode ser aplicado "a materiais retirados de reatores existentes, para aprender mais sobre como eles estão se degradando com a operação", diz Hirst.

"A maior coisa que o mundo pode fazer para obter energia barata e livre de carbono é manter os reatores atuais na rede. Eles já estão pagos, estão funcionando", acrescenta Short. Mas para tornar isso possível, "a única maneira de mantê-los na rede é ter mais certeza de que eles continuarão funcionando bem". E é aí que entra em jogo essa nova forma de avaliar os danos.

Embora a maioria das usinas nucleares tenha sido licenciada por 40 a 60 anos de operação, “agora estamos falando em manter esses mesmos ativos por 100 anos, e isso depende quase totalmente dos materiais serem capazes de resistir aos acidentes mais graves”. Curto diz. Usando este novo método, "podemos inspecioná-los e retirá-los antes que algo inesperado aconteça".

Na prática, os operadores da usina podem remover uma pequena amostra de material de áreas críticas do reator e analisá-lo para obter uma imagem mais completa da condição geral do reator. Manter os reatores existentes funcionando é "a maior coisa que podemos fazer para manter alta a parcela de energia livre de carbono", enfatiza Short. "Esta é uma maneira que achamos que podemos fazer isso."

O processo não se limita apenas ao estudo de metais, nem se limita aos danos causados ​​pela radiação, dizem os pesquisadores. Em princípio, o método pode ser usado para medir outros tipos de defeitos em materiais, como aqueles causados ​​por tensões ou ondas de choque, e também pode ser aplicado a materiais como cerâmicas ou semicondutores.

Na verdade, diz Short, os metais são os materiais mais difíceis de medir com esse método, e no início outros pesquisadores continuaram perguntando por que essa equipe estava focada em danos aos metais. Isso ocorreu em parte porque os componentes do reator tendem a ser feitos de metal e também porque "é o mais difícil, então, se resolvermos esse problema, temos uma ferramenta para desvendar todos eles!"

Medir defeitos em outros tipos de materiais pode ser até 10.000 vezes mais fácil do que em metais, diz ele. "Se pudermos fazer isso com metais, podemos torná-lo extremamente e ubíquamente aplicável." E tudo isso possibilitado por um pequeno pedaço de lixo que estava na parte de trás de um laboratório.

A equipe de pesquisa incluiu Fredric Granberg e Kai Nordlund da Universidade de Helsinque na Finlândia; Boopathy Kombaiah e Scott Middlemas no Laboratório Nacional de Idaho; e Penghui Cao na Universidade da Califórnia em Irvine. + Explorar mais

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