Het begrijpen van de aard van stralingsschade in materialen is van het grootste belang voor het beheersen van de veiligheid van kernreactoren, halfgeleidertechnologie, en het ontwerpen van betrouwbare apparaten in de ruimte. Al meer dan 60 jaar, de standaardbenadering voor het analytisch schatten van de stralingsschade in materialen is een eenvoudige vergelijking die bekend staat als Kinchin-Pease. Echter, het aantal verplaatsingen per atoom (DPA) dat uit deze vergelijking wordt verkregen, komt meestal niet overeen met een fysiek meetbare hoeveelheid in gewone metalen. Dit werd ongeveer 40 jaar geleden experimenteel vastgesteld, en computersimulaties die de afgelopen 25 jaar zijn uitgevoerd, hebben de fysieke reden hiervoor duidelijk vastgesteld.

"De verklaring is in het kort, dat in metalen, bestraling produceert op picoseconde tijdschalen een vloeistofachtige zone, waarin de afkoelfase een groot deel van de aanvankelijk veroorzaakte schade recombineert, wat leidt tot een vermindering van de schade met een derde, " zegt professor Kai Nordlund, die de zoektocht van het team leidde naar nauwkeurigere voorspellingen van de bruikbaarheid van materialen in nucleaire omgevingen. De onderzoekers hebben hun resultaten gepubliceerd in Natuurcommunicatie .

"Anderzijds, de vorming van de tijdelijke vloeistof leidt tot een enorme hoeveelheid atomen in het kristal, ongeveer een factor 30 meer dan de DPA-waarde, vervangen door andere nadat de vloeistof is afgekoeld, " hij zegt.

Ook al zijn deze problemen goed ingeburgerd, er is tot nu toe geen poging gedaan om de problemen van de standaard DPA-vergelijkingen te corrigeren.

In hun artikel, getiteld "Verbetering van berekeningen voor atomaire verplaatsing en vervanging met fysiek realistische schademodellen, " de wetenschappers presenteren de uitkomst van hun onderzoek. Het leidde tot de formulering van twee nieuwe vergelijkingen, de athermische recombinatie-gecorrigeerde DPA (arc-DPA) en de vervangingen-per-atoom (RPA) functies, die, met een minimale toename van de computationele complexiteit, nauwkeurige en experimenteel testbare voorspellingen van schadeproductie en stralingsvermenging in materialen mogelijk maken.

De onderzoekers verwachten dat de nieuwe vergelijkingen een basis zullen vormen voor het formuleren van betrouwbaardere en efficiëntere voorspellingen van de bruikbare levensduur van materialen in kernreactoren en andere omgevingen met hoge niveaus van ioniserende straling. Dit is vooral belangrijk voor het formuleren van fusie- en nieuwe soorten kernsplijtingscentrales.