Materialen die worden blootgesteld aan een omgeving met veel straling, zoals de binnenkant van een kernreactorvat, kunnen geleidelijk degraderen en verzwakken. Maar om precies te bepalen hoeveel schade deze materialen oplopen, moet er over het algemeen een monster worden verwijderd en in gespecialiseerde faciliteiten worden getest. een proces dat weken kan duren.

Een analytische methode ontwikkeld door onderzoekers van de afdeling Chemie van MIT en toegepast door leden van MIT's Mesoscale Nuclear Materials Laboratory zou dat kunnen veranderen, mogelijk waardoor continue monitoring van deze materialen mogelijk is zonder dat ze uit hun stralingsomgeving hoeven te worden verwijderd. Dit kan het testproces aanzienlijk versnellen en de preventieve vervanging van materialen die in feite veilig en bruikbaar zijn, verminderen.

De bevindingen worden deze week gerapporteerd in het tijdschrift Fysieke beoordeling B , in een paper van afgestudeerde student Cody Dennett, assistent-professor nucleaire wetenschappen en techniek Michael Short, en zes anderen.

Als het gaat om het meten van stralingsschade in materialen, Kort zegt, "de meeste van de huidige manieren zijn traag en duur." Bijvoorbeeld, de methode die wordt beschouwd als de gouden standaard voor dergelijke tests, transmissie-elektronenmicroscopie (TEM), produceert uitgebreide gegevens over veel van de defecten in het materiaal die verantwoordelijk zijn voor veranderingen in de eigenschappen ervan. Maar niet alle defecten die de eigenschappen van het materiaal beïnvloeden, zijn te zien in de TEM, dus de test geeft geen volledige gegevens.

"We zijn niet alleen geïnteresseerd in hoeveel leegtes of vacatures je hebt, "Kort zegt, verwijzend naar plaatsen waar een of meer atomen ontbreken in het kristalrooster van het materiaal. "Wat we echt willen weten, is hoe de materiaaleigenschappen veranderen."

Het team vond het antwoord in een techniek die transiënte roosterspectroscopie wordt genoemd. Eigenlijk, dit is een manier om de thermische en elastische eigenschappen van materialen te meten door akoestische golven op het materiaaloppervlak te induceren en te bewaken. Hoewel het systeem alleen de buitenkant van de materialen "ziet", die akoestische trillingen worden beïnvloed door ondergrondse defecten in de structuur van het materiaal. Het effect is vergelijkbaar met de manier waarop geologen een beeld kunnen construeren van de binnenste lagen van de aarde door de manier te bestuderen waarop seismische golven zich in verschillende richtingen voortplanten.

Het systeem creëert deze akoestische oscillaties door gebruik te maken van twee gepulste laserstralen die zo op het monster zijn gericht dat de lichtgolven van de twee stralen een interferentiepatroon veroorzaken. Dit interferentiepatroon veroorzaakt verwarming aan het monsteroppervlak, het genereren van een staande akoestische golf. De beweging van het oppervlak veroorzaakt door deze golf kan worden gevolgd door een andere set lasers. "We creëren kabbelende akoestische golven, "Kort zegt, "en meet hoe snel ze bewegen en hoe snel ze vervallen, " zonder op enige manier fysiek contact te maken met het materiaal.

Het werk van het team stuitte aanvankelijk op enige scepsis. "Mensen zeiden:'hoe weet je dat [deze techniek] gevoelig genoeg is?'", zegt Short. Maar met zorgvuldige experimenten die "bijna perfect" overeenkwamen met theoretische simulaties, ze bewezen de nodige gevoeligheid, hij zegt. "Die kritische vragen waren belangrijk voor ons om te horen, en motiveerde ons om dit onderzoek uit te voeren."

Voor een proef, het team vergeleek twee batches aluminiummonsters die waren samengesteld uit perfecte eenkristallen met verschillende oppervlakteoriëntaties. Hoewel de interne atomaire rangschikking anders was, "ze zagen er identiek uit voor het oog of in de microscoop, "zegt hij. "We hebben ze allemaal in ons apparaat gestopt, en we waren in staat om ze allemaal uit te zoeken."

Om hun eerste werk op te volgen, de onderzoekers werken nu aan het bewijzen van de gevoeligheid van hun techniek voor kleine defecten in de structuur van een materiaal. "We creëren eenvoudige defecten en meten vervolgens de signalen, om de impact te voorspellen, ' zegt Short. 'We willen laten zien hoe gevoelig we kunnen worden.'

Het team gebruikte verschillende materialen in hun tests, maar concentreerde zich vooral op monokristallijn aluminium. Ze kozen dat materiaal omdat het een van de meest uitdagende, Kort legt uit. "Terwijl je het monster draait, zijn akoestische respons verandert" vanwege de verschillende uitlijning van de kristalstructuur op de door laser geïnduceerde akoestische oppervlaktegolven. "Maar het verandert heel weinig. Dus als we die subtiele veranderingen in golfsnelheid in aluminium kunnen voelen, dan zijn we goed voorbereid om stralingseffecten in andere materialen te meten. De resultaten van die tests toonden aan dat hun apparaat gevoelig genoeg is om veranderingen in de snelheid van akoestische golven zo klein als een tiende van 1 procent te detecteren. En het kan zijn antwoordt "in seconden, versus maanden of jaren" voor bestaande methoden.

De methode die de onderzoekers ontwikkelden om transiënte roosterspectroscopie direct te simuleren, is net zo belangrijk als de metingen zelf, ze zeggen. Met behulp van zorgvuldige moleculaire dynamische simulaties, de onderzoekers waren in staat om de verwachte respons van koper en aluminium nauwkeurig te voorspellen, en bevestig deze voorspelling met metingen. "De meest krachtige implicatie voor deze simulaties, "Kort zegt, "is dat we nieuwe structuren in de computer kunnen creëren en hun signalen kunnen voorspellen. Sommige defecten zijn te complex voor ons om hun signalen alleen met theorie te voorspellen. Dat is waar simulatie om de hoek komt kijken." De mogelijkheid om simulatie te gebruiken om experimentele metingen op atomaire schaal uit te leggen is ook "uiterst verhelderend, " hij zegt.

"Nutsvoorzieningen, we kunnen ongeveer elke vijf minuten een datapunt nemen, waar je normaal gesproken een paar datapunten per maand zou krijgen, ", zegt hij. Dat sneller testen cruciaal zou kunnen zijn om de ontwikkeling van nieuwe generaties bekledingsmateriaal voor kernbrandstof voor geavanceerde nieuwe reactoren mogelijk te maken, hij zegt. "Nutsvoorzieningen, het grootste nadeel van het inzetten van nieuwe reactoren zijn materialen, en het grootste nadeel daarvan is testen. Als we van maanden naar seconden kunnen gaan, we kunnen dat knelpunt omzeilen."

Hoewel hun eerste tests werden uitgevoerd met grotere laboratoriumopstellingen, Short zegt dat het vrij eenvoudig moet zijn om die functies in een kleine, draagbaar apparaat dat kan worden meegenomen voor veldtesten of permanent kan worden gemonteerd op strategische controlepunten in een reactorvat.

"Dit is een mooi werkstuk met een mooie combinatie van experimenteel en modelleerwerk, " zegt Felix Hoffman, een universitair hoofddocent technische wetenschappen aan de Universiteit van Oxford in het VK, die niet bij dit werk betrokken was.

"Transient Grating (TG)-methoden bieden een geweldig nieuw alternatief voor traditionele technieken voor het meten van stralingsschade, omdat ze snel zijn, niet-destructief, en vereisen niet veel andere monstervoorbereiding dan een gepolijst oppervlak, "zegt hij. "Dit staat in schril contrast met TEM, atoom sonde, of micromechanica die een lange monstervoorbereiding vereisen. ... Als het systeem kan worden geminiaturiseerd en voldoende draagbaar kan worden gemaakt om metingen in situ mogelijk te maken, dit zou enorme mogelijkheden bieden voor het onderzoeken van de evolutie van materiële eigenschappen als gevolg van bestraling."

"De auteurs hebben een significante en veelzijdige vooruitgang aangetoond in het bewaken en kwantificeren van puntdefecten in mesoschaalvolumes, " zegt Steven Zinkle, voorzitter van de afdeling nucleaire techniek aan de Universiteit van Tennessee, die ook niet bij dit werk betrokken was. "Met verdere verfijning, " hij zegt, "de nieuw ontwikkelde TG-spectroscopietechniek zou kunnen leiden tot een beter begrip van real-time defectevoluties die optreden in een breed scala aan zuivere materialen en technische legeringen tijdens blootstelling aan ionenstraalverwerking of neutronenbombardement tijdens energieproductie in kernreactoren."

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.