Ein besserer Weg, um Strahlenschäden in Materialien zu quantifizieren

Es war nur ein Stück Müll, das im hinteren Teil eines Labors in der MIT Nuclear Reactor-Anlage lag und bereit war, entsorgt zu werden. Aber es wurde zum Schlüssel, um eine umfassendere Methode zur Erkennung von Strukturschäden auf atomarer Ebene in Materialien zu demonstrieren – ein Ansatz, der die Entwicklung neuer Materialien unterstützen wird und möglicherweise den laufenden Betrieb von CO2-emissionsfreien Kernkraftwerken unterstützen könnte würde helfen, den globalen Klimawandel zu lindern.

Eine winzige Titanmutter, die aus dem Inneren des Reaktors entfernt worden war, war genau das Material, das benötigt wurde, um zu beweisen, dass diese neue Technik, die am MIT und an anderen Institutionen entwickelt wurde, eine Möglichkeit bietet, Defekte zu untersuchen, die im Inneren von Materialien, einschließlich der freigelegten, entstanden sind gegenüber Strahlung, mit einer fünfmal höheren Empfindlichkeit als bestehende Methoden.

Der neue Ansatz zeigte, dass ein Großteil der Schäden, die in Reaktoren stattfinden, auf atomarer Ebene liegen und daher mit bestehenden Methoden schwer zu erkennen sind. Die Technik bietet eine Möglichkeit, diesen Schaden direkt zu messen, indem er sich mit der Temperatur ändert. Und es könnte verwendet werden, um Proben aus der derzeit in Betrieb befindlichen Flotte von Kernreaktoren zu messen, was möglicherweise den weiteren sicheren Betrieb von Anlagen weit über ihre derzeit genehmigte Lebensdauer hinaus ermöglicht.

Die Ergebnisse werden in der Zeitschrift veröffentlicht Wissenschaftliche Fortschritte in einem Artikel des MIT-Forschungsspezialisten und frischgebackenen Absolventen Charles Hirst Ph.D. ’22; die MIT-Professoren Michael Short, Scott Kemp und Ju Li; und fünf weitere an der Universität Helsinki, dem Idaho National Laboratory und der University of California in Irvine.

Anstatt die physikalische Struktur eines fraglichen Materials direkt zu beobachten, betrachtet der neue Ansatz die Menge an Energie, die in dieser Struktur gespeichert ist. Jede Störung der geordneten Struktur von Atomen innerhalb des Materials, wie sie beispielsweise durch Strahlungseinwirkung oder durch mechanische Spannungen verursacht wird, verleiht dem Material tatsächlich überschüssige Energie. Durch Beobachten und Quantifizieren dieser Energiedifferenz ist es möglich, den Gesamtschaden innerhalb des Materials zu berechnen – selbst wenn dieser Schaden in Form von Defekten im atomaren Maßstab vorliegt, die zu klein sind, um mit Mikroskopen oder anderen Detektionsmethoden abgebildet zu werden.

Das Prinzip dieser Methode wurde durch Berechnungen und Simulationen detailliert herausgearbeitet. Aber es waren die tatsächlichen Tests an dieser einen Titanmutter aus dem MIT-Kernreaktor, die den Beweis erbrachten – und damit die Tür zu einer neuen Methode zur Messung von Schäden an Materialien öffneten.

Die von ihnen verwendete Methode heißt Differential Scanning Calorimetry. Wie Hirst erklärt, ähnelt das im Prinzip den Kalorimetrie-Experimenten, die viele Schüler im Chemieunterricht an Gymnasien durchführen, wo sie messen, wie viel Energie es braucht, um die Temperatur eines Gramms Wasser um ein Grad zu erhöhen. Das System, das die Forscher verwendeten, war „im Grunde genau dasselbe, nämlich die Messung energetischer Veränderungen. … Ich nenne es gerne nur einen schicken Ofen mit einem Thermoelement im Inneren.“

Der Scan-Teil hat damit zu tun, die Temperatur schrittweise schrittweise zu erhöhen und zu sehen, wie die Probe reagiert, und der Differenzial-Teil bezieht sich auf die Tatsache, dass zwei identische Kammern gleichzeitig gemessen werden, eine leer und eine mit der zu untersuchenden Probe . Der Unterschied zwischen den beiden enthüllt Details der Energie der Probe, erklärt Hirst.

„Wir erhöhen die Temperatur von Raumtemperatur auf 600 Grad Celsius mit einer konstanten Geschwindigkeit von 50 Grad pro Minute“, sagt er. Im Vergleich zum leeren Gefäß „hinkt Ihr Material natürlich hinterher, weil Sie Energie benötigen, um Ihr Material zu erhitzen. Aber wenn sich die Energie im Inneren des Materials ändert, ändert sich die Temperatur. In unserem Fall gab es eine Energiefreisetzung wann.“ die Defekte rekombinieren, und dann bekommt der Ofen einen kleinen Vorsprung … und so messen wir die Energie in unserer Probe.“

Hirst, der die Arbeit über einen Zeitraum von fünf Jahren als sein Doktorarbeitsprojekt durchführte, stellte fest, dass das bestrahlte Material entgegen der Annahme zeigte, dass zwei verschiedene Mechanismen an der Entspannung von Defekten in Titan bei den untersuchten Temperaturen beteiligt waren , gezeigt durch zwei getrennte Peaks in der Kalorimetrie. „Anstatt dass ein Prozess abläuft, haben wir deutlich zwei gesehen, und jeder von ihnen entspricht einer anderen Reaktion, die im Material stattfindet“, sagt er.

Sie fanden auch heraus, dass Lehrbucherklärungen darüber, wie sich Strahlungsschäden mit der Temperatur verhalten, nicht genau waren, da frühere Tests meist bei extrem niedrigen Temperaturen durchgeführt und dann auf die höheren Temperaturen des realen Reaktorbetriebs extrapoliert worden waren. „Die Leute waren sich nicht unbedingt bewusst, dass sie extrapolierten, obwohl sie es vollkommen waren“, sagt Hirst.

„Tatsache ist, dass unser allgemeines Wissen darüber, wie sich Strahlenschäden entwickeln, auf Elektronenstrahlung mit extrem niedriger Temperatur basiert“, fügt Short hinzu. „Es wurde einfach zum akzeptierten Modell, und das wird in allen Büchern gelehrt. Es dauerte eine Weile, bis wir erkannten, dass unser allgemeines Verständnis auf einer sehr spezifischen Bedingung basierte, die dazu bestimmt war, die Wissenschaft zu erklären, aber im Allgemeinen nicht auf Bedingungen anwendbar ist, unter denen wir möchte diese Materialien tatsächlich verwenden.“

Jetzt kann die neue Methode „auf Materialien angewendet werden, die aus bestehenden Reaktoren entnommen werden, um mehr darüber zu erfahren, wie sie sich während des Betriebs zersetzen“, sagt Hirst.

„Das Größte, was die Welt tun kann, um billigen, kohlenstofffreien Strom zu erhalten, besteht darin, die aktuellen Reaktoren am Netz zu halten. Sie sind bereits bezahlt, sie arbeiten“, fügt Short hinzu. Aber um dies zu ermöglichen, „können wir sie nur am Netz halten, wenn wir mehr Gewissheit haben, dass sie weiterhin gut funktionieren.“ Und hier kommt diese neue Art der Schadensbewertung ins Spiel.

Während die meisten Kernkraftwerke für einen Betrieb von 40 bis 60 Jahren genehmigt wurden, „reden wir jetzt darüber, dieselben Anlagen auf 100 Jahre zu betreiben, und das hängt fast vollständig davon ab, dass die Materialien den schwersten Unfällen standhalten können“. Kurz sagt. Mit dieser neuen Methode „können wir sie inspizieren und herausnehmen, bevor etwas Unerwartetes passiert.“

In der Praxis könnten Anlagenbetreiber eine winzige Materialprobe aus kritischen Bereichen des Reaktors entnehmen und analysieren, um ein vollständigeres Bild des Zustands des gesamten Reaktors zu erhalten. Bestehende Reaktoren am Laufen zu halten, ist „das Größte, was wir tun können, um den Anteil kohlenstofffreier Energie hoch zu halten“, betont Short. „Dies ist eine Möglichkeit, wie wir glauben, dass wir das tun können.“

Der Prozess ist nicht nur auf die Untersuchung von Metallen beschränkt, noch ist er auf Schäden durch Strahlung beschränkt, sagen die Forscher. Prinzipiell ließe sich das Verfahren auch zur Messung anderer Arten von Materialdefekten, etwa durch Spannungen oder Stoßwellen, einsetzen und auch auf Materialien wie Keramiken oder Halbleiter anwenden.

Tatsächlich sind Metalle laut Short die am schwierigsten mit dieser Methode zu messenden Materialien, und andere Forscher fragten schon früh, warum sich dieses Team auf Schäden an Metallen konzentrierte. Das lag zum Teil daran, dass Reaktorkomponenten in der Regel aus Metall bestehen, und auch daran, dass „es am schwierigsten ist, also haben wir ein Werkzeug, um sie alle zu knacken, wenn wir dieses Problem lösen!“

Das Messen von Fehlern in anderen Materialien kann bis zu 10.000-mal einfacher sein als in Metallen, sagt er. „Wenn wir das mit Metallen machen können, können wir das extrem, allgegenwärtig anwendbar machen.“ Und all das wurde durch ein kleines Stück Müll ermöglicht, das hinten in einem Labor lag.

Das Forschungsteam umfasste Fredric Granberg und Kai Nordlund von der Universität Helsinki in Finnland; Boopathie Kombaiah und Scott Middlemas am Idaho National Laboratory; und Penghui Cao an der University of California in Irvine.