Sistema Baseado a Laser Permite Monitoramento em Tempo Real de Danos por Radiação em Materiais

Visão Geral

• Novo sistema baseado em espectroscopia de grade transitória detecta mudanças induzidas por radiação em materiais em tempo real.
• Comparado a técnicas existentes que levam meio ano para caracterizar completamente um material, leva apenas um dia.

Ambientes de alta radiação, como os encontrados nos núcleos de usinas nucleares, requerem materiais de qualidade extremamente alta. A microestrutura, e assim o desempenho, desses materiais em instalações nucleares mudam drasticamente ao longo dos anos de operação.

A maioria dos materiais falha devido a precipitação aumentada, inchamento volumétrico, dissolução de inclusão balística, trinca por corrosão sob tensão assistida por irradiação, e segregação aumentada.

Métodos existentes para testar a capacidade do material de suportar tais ambientes severos não são muito eficazes. Confiam na abordagem 'cozinhar e olhar', na qual materiais são submetidos a ambientes de alta radiação e então removidos para inspeção detalhada. O processo, no entanto, é tão demorado que atrasa o desenvolvimento de materiais avançados para novos reatores.

Para resolver este problema, uma equipe de pesquisa do MIT e Laboratórios Nacionais Sandia construiu um novo sistema que pode rastrear efetivamente mudanças induzidas por radiação em tempo real, e fornecer mais insights que técnicas convencionais.

Como numerosas instalações nucleares estão chegando ao fim de suas vidas operacionais, a tecnologia pode ajudar a decidir quais usinas nucleares podem ser estendidas com segurança por quanto tempo.

A Nova Maneira de Testar Materiais

O novo sistema baseado a laser depende de espectroscopia de grade transitória (TGS) – uma técnica óptica para medir propagação de quasipartículas. Pode detectar mudanças físicas no material, incluindo difusividade térmica e elasticidade, sem danificar ou alterar suas propriedades.

A equipe tem testado este método por cerca de dois anos. Agora, o sistema está pronto para fornecer dados precisos que podem ajudar engenheiros a entender como materiais dentro de vasos de reator degradam ao longo do tempo.

Referência: ScienceDirect | doi:10.1016/j.nimb.2018.10.025 | MIT

Esta é a primeira vez que alguém usou TGS para observar de perto danos causados por radiação. Poderia detectar se as propriedades do material mudaram durante anos operacionais, como sua capacidade de responder a tensões ou conduzir calor.

Para replicar ambientes de radiação, pesquisadores simularam os efeitos de bombardeio de nêutrons usando feixes de íons, que danificam o material de forma similar a reatores reais, mas são mais seguros para trabalhar e muito mais fáceis de controlar. Usaram acelerador de íons de 6 megavolts para simular anos de exposição a nêutrons em horas.

As medições são feitas simulando vibrações do material usando um feixe de laser e então observando essas vibrações na superfície usando outro laser. Esta medição também pode ser usada para determinar outras propriedades relacionadas, como acúmulo de dano e defeito em um dado material.

Como o sistema monitora materiais em tempo real, é possível parar o experimento em qualquer momento crítico e estudar o(s) dano(s) em detalhe. Isso também permite que engenheiros identifiquem as razões mecanicistas por trás dessas falhas.

Métodos tradicionais levam meses para encontrar o fator inicial que desencadeou a degradação. O novo sistema, por outro lado, poderia fazer o mesmo em poucas horas. Segundo o relatório, a caracterização completa de um dado material leva apenas um dia, enquanto técnicas existentes levam quase meio ano.

Próximos Passos

Até agora, os pesquisadores testaram seu sistema em dois metais puros: tungstênio e níquel. Nos próximos meses, usarão para testar outros metais e vários tipos de ligas.

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A equipe também está trabalhando para melhorar ainda mais as capacidades do sistema e adicionar mais ferramentas de diagnóstico para investigar mais propriedades de materiais expostos à radiação.