Een halve eeuw lang, onderzoekers hebben lussen van verplaatste atomen gezien in het staal van kernreactoren na blootstelling aan straling, maar niemand kon bedenken hoe.

Nutsvoorzieningen, een simulatie uitgevoerd door onderzoekers van de Universiteit van Michigan, Hunan University (China) en Rensselaer Polytechnic Institute hebben aangetoond dat een schokgolf deze lussen in ijzer produceert. Het resultaat zou ingenieurs kunnen helpen om beter stralingsbestendig staal voor reactoren te ontwerpen, of sterker staal in het algemeen.

Ijzer en staal, zoals de meeste metalen, organiseren zichzelf in een kristalrooster - een rangschikking van atomen op basis van een herhaald patroon. In dit geval, het is een kubus met een atoom op elke hoek en één in het midden. Straling en andere spanningen kunnen een verscheidenheid aan defecten veroorzaken.

In "loop"-defecten, de niet op hun plaats staande atomen vormen ruwe ringen. Sommige lussen kunnen door het rooster lopen, en door hun mobiliteit staan ​​ze het buigen van staal niet in de weg. Maar het defect in kwestie (bekend als a <100> interstitiële dislocatielus) heeft de neiging om te blijven zitten. Op een ongecontroleerde manier geplaatst, deze stationaire lussen veroorzaken broosheid, maar als ze opzettelijk zijn geplaatst, ze konden staal versterken door de stijfheid te verbeteren.

"Nu we het mechanisme kennen, we kunnen stralingsschade verminderen door de energie van de deeltjes waaraan materialen worden blootgesteld te beperken, " zei Qing Peng, een research fellow in het lab van Fei Gao, een professor in nucleaire techniek en radiologische wetenschappen.

"We kunnen het ook gebruiken om het defect in materialen te engineeren. Afhankelijk van de energie, je kunt verschillende soorten dislocaties genereren om de eigenschappen van het materiaal af te stemmen."

Vijf eerdere verklaringen zijn in de running om de mysterieuze loops te verklaren, maar geen enkele is bijzonder bevredigend omdat ze allemaal speciale omstandigheden en relatief lange tijd vereisen om de lussen te maken.

Omdat de gebreken te snel blijken om te meten, onderzoekers verwachtten dat ze het mechanisme op een computer zouden kunnen simuleren. Maar ook dat gebeurde niet. Ze veronderstelden dat het te lang duurde om hun realtime-trajecten in kaart te brengen - er was gewoon niet genoeg kracht om al die atomen binnen een redelijke tijd te simuleren.

Die laatste observatie bleek gedeeltelijk waar:er waren te veel atomen om te modelleren. Maar het proces zelf was kort; het probleem was om het volume ijzer groot genoeg te maken om de reactie te krijgen.

"Als de simulatie te klein is, een hoogenergetisch deeltje gaat er gewoon doorheen. Geen gehoor, ' zei Peng.

Gao's team heeft een computermodel gemaakt van een doos met 200 miljoen ijzeratomen, gerangschikt in het typische rooster, en sloeg er een hoogenergetisch deeltje in. Wat ze zagen was een krachtige schokgolf die door het rooster scheurde, vertakken zich in verschillende richtingen.

Miljoenen ijzeratomen werden verplaatst van hun plek, en miljoenen van hen vielen terug in het rooster toen de golf verdween. Achtergebleven waren honderden "punt"-defecten waarin enkele atomen niet op hun plaats waren - en een handvol lussen. Veel hiervan waren lussen die kunnen reizen, die geen belangrijke oorzaak van broosheid zijn, maar vaak waren er een of twee van het stationaire type.

Het bleek dat de lussen waren gemaakt in de eerste schokgolf, een proces dat slechts 13 biljoenste van een seconde duurt. Deze verklaring werd al 40 jaar geleden geopperd, maar het werd gebruikt om defecten te verklaren die in lijnen verschenen in plaats van in gesloten lussen.

Nu het mechanisme bekend is, vergelijkbare computermodellering kan worden gebruikt om bedrijfsomstandigheden voor staallegeringen in omgevingen met straling aan te bevelen. Minder energetische deeltjes zullen geen schokgolven creëren die sterk genoeg zijn om dit defect te veroorzaken.

Of, dergelijke defecten kunnen opzettelijk in staal worden geplaatst om de stijfheid te vergroten. Deze stationaire lussen van atomen, vastgelopen tussen andere atomen in het kristal, het moeilijker maken voor staal om te buigen.