Novo sistema baseado em laser pode monitorar continuamente os danos causados ​​por radiação aos materiais

• Um novo sistema baseado em espectroscopia de grade transitória detecta mudanças induzidas por radiação em materiais em tempo real.
• Em comparação com as técnicas existentes que levam meio ano para caracterizar completamente um determinado material, leva apenas um dia.

Ambientes de alta radiação, como os encontrados em núcleos de usinas nucleares, exigem materiais de altíssima qualidade. A microestrutura e, portanto, o desempenho desses materiais em instalações de energia nuclear mudam drasticamente ao longo dos anos de operação.

A maioria dos materiais falha devido ao aumento da precipitação, intumescimento volumétrico, dissolução de inclusão balística, corrosão sob tensão assistida por irradiação e maior segregação.

Os métodos existentes para testar a capacidade do material de resistir a esses ambientes hostis não são muito eficazes. Eles contam com a abordagem "cozinhe e olhe", em que os materiais estão sujeitos a ambientes de alta radiação e, em seguida, removidos para uma inspeção cuidadosa. O processo, no entanto, é tão demorado que atrasa o desenvolvimento de materiais avançados para novos reatores.

Para resolver esse problema, uma equipe de pesquisa do MIT e do Sandia National Laboratories construiu um novo sistema que pode rastrear com eficácia as alterações induzidas pela radiação em tempo real e fornecer mais informações do que as técnicas convencionais.

Uma vez que inúmeras instalações nucleares estão caminhando para o fim de sua vida útil de operação, a tecnologia poderia ajudar a decidir quais usinas nucleares podem ser ampliadas com segurança em quanto.

A nova maneira de testar materiais

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

A equipe vem testando esse método há cerca de dois anos. Agora, o sistema está pronto para fornecer dados precisos que podem ajudar os engenheiros a entender como os materiais dentro dos vasos do reator se degradam com o tempo.

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

Esta é a primeira vez que alguém usa o TGS para observar de perto os danos causados ​​pela radiação. Ele pode detectar se as propriedades do material mudaram durante os anos operacionais, como sua capacidade de responder a tensões ou conduzir calor.

Para replicar ambientes de radiação, os pesquisadores simularam os efeitos do bombardeio de nêutrons usando feixes de íons, que danificam o material de maneira semelhante aos reatores reais, mas são mais seguros para trabalhar e muito mais fáceis de controlar. Eles usaram um acelerador de íon de 6 megavolts para simular anos de exposição a nêutrons em horas.

O novo sistema instalado e testado no Sandia National Labs | Crédito da imagem:Cody Dennett

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

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

Os métodos tradicionais levam meses para encontrar o fator inicial que desencadeou a degradação. O novo sistema, por outro lado, poderia fazer o mesmo em algumas horas. De acordo com o relatório, a caracterização completa de um determinado material leva apenas um dia, enquanto as técnicas existentes demoram quase meio ano.

O que vem a seguir?

Até agora, os pesquisadores testaram seu sistema em dois metais puros:tungstênio e níquel. Nos próximos meses, eles o 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.