Noticias Actualidad en procesos industriales

Dele visibilidad a su trayectoria académica

Participe en la convocatoria de trabajos inéditos de Virtual Pro.

Publicar Ahora

2022-08-04Una mejor manera de cuantificar el daño por radiación en los materiales

MIT |Más completo que los métodos existentes, el nuevo enfoque podría permitir una vida útil operativa más larga para los reactores nucleares.

Era solo un pedazo de chatarra que se encontraba en la parte trasera de un laboratorio en las instalaciones del Reactor Nuclear del MIT, listo para ser desechado. Pero se convirtió en la clave para demostrar una forma más integral de detectar daños estructurales a nivel atómico en los materiales, un enfoque que ayudará al desarrollo de nuevos materiales y podría respaldar potencialmente la operación en curso de plantas de energía nuclear libres de emisiones de carbono, que ayudaría a mitigar el cambio climático global.

Una pequeña tuerca de titanio que se había extraído del interior del reactor era justo el tipo de material necesario para demostrar que esta nueva técnica, desarrollada en el MIT y en otras instituciones, proporciona una forma de sondear los defectos creados en el interior de los materiales, incluidos los que han quedado expuestos. a la radiación, con una sensibilidad cinco veces mayor que los métodos existentes.

El nuevo enfoque reveló que gran parte del daño que ocurre dentro de los reactores es a escala atómica y, como resultado, es difícil de detectar utilizando los métodos existentes. La técnica proporciona una forma de medir directamente este daño a través de la forma en que cambia con la temperatura. Y podría usarse para medir muestras de la flota de reactores nucleares actualmente en funcionamiento, lo que podría permitir la operación segura continua de las plantas mucho más allá de sus vidas útiles actualmente autorizadas.

Los hallazgos se informan hoy en la revista Science Advances en un artículo del especialista en investigación del MIT y recién graduado Charles Hirst PhD ´22; los profesores del MIT Michael Short, Scott Kemp y Ju Li; y otros cinco en la Universidad de Helsinki, el Laboratorio Nacional de Idaho y la Universidad de California en Irvine.

En lugar de observar directamente la estructura física de un material en cuestión, el nuevo enfoque analiza la cantidad de energía almacenada dentro de esa estructura. Cualquier interrupción de la estructura ordenada de los átomos dentro del material, como la causada por la exposición a la radiación o por tensiones mecánicas, en realidad imparte un exceso de energía al material. Al observar y cuantificar esa diferencia de energía, es posible calcular la cantidad total de daño dentro del material, incluso si ese daño tiene la forma de defectos a escala atómica que son demasiado pequeños para ser fotografiados con microscopios u otros métodos de detección.

El principio detrás de este método se había desarrollado en detalle a través de cálculos y simulaciones. Pero fueron las pruebas reales en esa tuerca de titanio del reactor nuclear del MIT las que proporcionaron la prueba y, por lo tanto, abrieron la puerta a una nueva forma de medir el daño en los materiales.

El método que utilizaron se llama calorimetría diferencial de barrido. Como explica Hirst, esto es similar en principio a los experimentos de calorimetría que muchos estudiantes realizan en las clases de química de la escuela secundaria, donde miden cuánta energía se necesita para elevar la temperatura de un gramo de agua en un grado. El sistema que utilizaron los investigadores fue “fundamentalmente exactamente lo mismo, midiendo los cambios energéticos. … Me gusta llamarlo simplemente un horno elegante con un termopar adentro”.

La parte de escaneo tiene que ver con aumentar gradualmente la temperatura poco a poco y ver cómo responde la muestra, y la parte diferencial se refiere al hecho de que se miden dos cámaras idénticas a la vez, una vacía y otra que contiene la muestra que se está estudiando. . La diferencia entre los dos revela detalles de la energía de la muestra, explica Hirst.

“Elevamos la temperatura desde la temperatura ambiente hasta los 600 grados centígrados, a un ritmo constante de 50 grados por minuto”, dice. En comparación con el recipiente vacío, “su material naturalmente se quedará atrás porque necesita energía para calentar su material. Pero si hay cambios en la energía dentro del material, eso cambiará la temperatura. En nuestro caso, hubo una liberación de energía cuando los defectos se recombinaron, y entonces el horno tendrá un poco de ventaja... y así es como estamos midiendo la energía en nuestra muestra".

Hirst, que realizó el trabajo durante cinco años como proyecto de tesis doctoral, descubrió que, contrariamente a lo que se creía, el material irradiado mostró que había dos mecanismos diferentes involucrados en la relajación de los defectos del titanio a las temperaturas estudiadas. , revelado por dos picos separados en calorimetría. “En lugar de que ocurra un proceso, claramente vimos dos, y cada uno de ellos corresponde a una reacción diferente que está ocurriendo en el material”, dice.

También descubrieron que las explicaciones de los libros de texto sobre cómo se comporta el daño por radiación con la temperatura no eran precisas, porque las pruebas anteriores se habían llevado a cabo principalmente a temperaturas extremadamente bajas y luego se habían extrapolado a las temperaturas más altas de las operaciones del reactor de la vida real. “La gente no era necesariamente consciente de que estaba extrapolando, aunque lo estaba, por completo”, dice Hirst.

"El hecho es que nuestra base de conocimiento común sobre cómo evoluciona el daño por radiación se basa en la radiación de electrones a temperaturas extremadamente bajas", agrega Short. “Simplemente se convirtió en el modelo aceptado, y eso es lo que se enseña en todos los libros. Nos tomó un tiempo darnos cuenta de que nuestra comprensión general se basaba en una condición muy específica, diseñada para dilucidar la ciencia, pero generalmente no aplicable a las condiciones en las que realmente queremos usar estos materiales”.

Ahora, el nuevo método se puede aplicar "a los materiales extraídos de los reactores existentes, para aprender más sobre cómo se degradan con la operación", dice Hirst.

“Lo más grande que el mundo puede hacer para obtener energía barata y libre de carbono es mantener los reactores actuales en la red. Ya están pagados, están trabajando”, agrega Short. Pero para que eso sea posible, “la única forma en que podemos mantenerlos en la parrilla es tener más certeza de que seguirán funcionando bien”. Y ahí es donde entra en juego esta nueva forma de evaluar el daño.

Si bien la mayoría de las plantas de energía nuclear tienen licencias para operar durante 40 a 60 años, “ahora estamos hablando de operar esos mismos activos hasta los 100 años, y eso depende casi por completo de que los materiales sean capaces de soportar los accidentes más severos”. Corto dice. Con este nuevo método, “podemos inspeccionarlos y sacarlos antes de que suceda algo inesperado”.

En la práctica, los operadores de la planta podrían extraer una pequeña muestra de material de las áreas críticas del reactor y analizarla para obtener una imagen más completa del estado general del reactor. Mantener los reactores existentes en funcionamiento es "lo más importante que podemos hacer para mantener alta la proporción de energía libre de carbono", enfatiza Short. “Esta es una forma en que creemos que podemos hacer eso”.

Sergei Dudarev, miembro de la Autoridad de Energía Atómica del Reino Unido que no estuvo asociado con este trabajo, dice que esto "probablemente tendrá un impacto, ya que confirma, de una manera sistemática agradable, respaldada tanto por experimentos como por simulaciones, la inesperadamente significativa papel desempeñado por los pequeños defectos invisibles en la evolución microestructural de los materiales expuestos a la irradiación”.

El proceso no se limita solo al estudio de los metales, ni se limita al daño causado por la radiación, dicen los investigadores. En principio, el método podría utilizarse para medir otros tipos de defectos en los materiales, como los causados ​​por tensiones u ondas de choque, y podría aplicarse también a materiales como la cerámica o los semiconductores.

De hecho, dice Short, los metales son los materiales más difíciles de medir con este método, y desde el principio otros investigadores preguntaron por qué este equipo se centró en el daño a los metales. Eso se debió en parte a que los componentes del reactor tienden a estar hechos de metal, y también porque "es el más difícil, así que, si resolvemos este problema, ¡tenemos una herramienta para resolverlos todos!".

La medición de defectos en otros tipos de materiales puede ser hasta 10.000 veces más fácil que en los metales, dice. "Si podemos hacer esto con los metales, podemos hacer que esto sea extremadamente aplicable de manera ubicua". Y todo ello habilitado por una pequeña pieza de chatarra que estaba sentada en la parte trasera de un laboratorio.

El equipo de investigación incluyó a Fredric Granberg y Kai Nordlund de la Universidad de Helsinki en Finlandia; Boopathy Kombaiah y Scott Middlemas en el Laboratorio Nacional de Idaho; y Penghui Cao de la Universidad de California en Irvine. El trabajo fue apoyado por la Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU., una subvención de investigación del Laboratorio Nacional de Idaho y una subvención del programa de Investigación y Capacitación de Euratom.

MIT
Autor
MIT

Promover la investigación, las innovaciones, la enseñanza y los eventos y las personas de interés periodístico del MIT a la comunidad del campus, los medios de comunicación y el público en general, Comunicar anuncios del Instituto, Publicar noticias de la comunidad para profesores, estudiantes, personal y ex alumnos del MIT. Proporcionar servicios de medios a los miembros de la comunidad, incluido el asesoramiento sobre cómo trabajar con periodistas, Responder a consultas de los medios y solicitudes de entrevistas...


2022-08-17
Euskadi recicló 9.500 toneladas de aceite industrial usado en 2021

A pesar de la crisis provocada por el aumento de los precios de la energía, y de su impacto en los costes de gestión del aceite industrial usado, el pasado año se recogió el 100% de este residuo peligroso en el País Vasco.

2022-08-17
Antonio Turiel: ´La teledetección nos ayuda a entender el ciclo de vida de los plásticos y es útil para su control´

El investigador del CSIC es el coordinador de la Plataforma Temática Interdisciplinar Teledetect, que aglutina equipos y expertos en teledetección, una tecnología puntera de observación del planeta Tierra con la que entender fenómenos a gran escala

2022-08-17
Shrilk, la alternativa natural y biodegradable al plástico

Desde que el ser humano supo que el plástico tenía los días contados, ha buscado alternativas que puedan ser viables, fáciles de fabricar y, a poder ser, biodegradables, es decir, que no permanezcan tanto tiempo en la naturaleza como lo hacen los residuos plásticos. Y entre esas alternativas, una de las que llamó la atención se conoce con el nombre de shrilk. Un juego de palabras que une sus dos principales ingredientes, shrimp y silk: gamba y seda.

2022-08-16
Los científicos identifican una molécula vegetal que absorbe el hemo rico en hierro

Las leguminosas utilizan el péptido para controlar las bacterias fijadoras de nitrógeno; también puede ofrecer pistas para el tratamiento de pacientes con demasiado hemo en la sangre.

2022-08-16
Tenemos un nuevo aliado para comprender el Alzheimer o la epilepsia: este alucinante mini microscopio de solo 2,5 centímetros y cuatro gramos

Pesa menos que un caramelo y no levanta más que la concha de un caracol, pero el “miniscope”, un diminuto microscopio desarrollado en la Universidad de California (UCLA), puede ayudarnos a desvelar misterios sobre el cerebro o incluso el Alzheimer, la epilepsia o el autismo.

2022-08-13
Reprofert, spin-off al servicio de la biotecnología de reproducción animal

El emprendimiento surge del interés por aprovechar la investigación y el desarrollo de innovaciones generadas en las universidades. Es una opción para ofrecer productos y servicios de calidad derivados de la investigación científica.