Straling degradeert bijna altijd de materialen die eraan worden blootgesteld, hun achteruitgang bespoedigen en de vervanging van belangrijke componenten in omgevingen met veel straling, zoals kernreactoren, vereisen. Maar voor bepaalde legeringen die in splijtings- of fusiereactoren kunnen worden gebruikt, het tegendeel blijkt waar te zijn:onderzoekers van het MIT en in Californië hebben nu ontdekt dat in plaats van de afbraak van het materiaal te versnellen, straling verbetert juist de weerstand, mogelijk een verdubbeling van de nuttige levensduur van het materiaal.

De bevinding kan een zegen zijn voor nieuwe, geavanceerde reactorontwerpen, inclusief gesmolten-zoutgekoelde splijtingsreactoren, en nieuwe fusiereactoren zoals het ARC-ontwerp dat wordt ontwikkeld door MIT en Commonwealth Fusion Systems.

de bevinding, die als een verrassing kwam voor nucleaire wetenschappers, staat vandaag in het journaal Natuurcommunicatie , in een paper van MIT-hoogleraar nucleaire wetenschap en techniek Michael Short, afgestudeerde student Weiyue Zhou, en vijf anderen aan het MIT en aan het Lawrence Berkeley National Laboratory.

Short zegt dat de bevinding een beetje serendipiteit was; in feite, de onderzoekers wilden het tegenovergestelde effect kwantificeren. Aanvankelijk wilden ze bepalen hoeveel straling de corrosiesnelheid zou verhogen in bepaalde legeringen van nikkel en chroom die kunnen worden gebruikt als bekleding voor kernbrandstofassemblages.

De experimenten waren moeilijk uit te voeren, omdat het onmogelijk is om temperaturen direct op het grensvlak tussen het gesmolten zout te meten, gebruikt als koelvloeistof, en het oppervlak van de metaallegering. Het was dus noodzakelijk om de omstandigheden indirect te achterhalen door het materiaal te omringen met een batterij sensoren. Vanaf het begin, Hoewel, de tests vertoonden tekenen van het tegenovergestelde effect:corrosie, de belangrijkste oorzaak van materiaalfalen in de ruwe omgeving van een reactorvat, leek te worden verminderd in plaats van versneld wanneer het baadde in straling, in dit geval een hoge flux van protonen.

"We hebben het tientallen keren herhaald, met verschillende voorwaarden, "Kort zegt, "en elke keer kregen we dezelfde resultaten" met vertraagde corrosie.

Het soort reactoromgeving dat het team in hun experimenten simuleerde, omvat het gebruik van gesmolten natrium, lithium, en kaliumzout als koelmiddel voor zowel de splijtstofstaven in een splijtingsreactor als het vacuümvat rondom een ​​superhete, wervelend plasma in een toekomstige fusiereactor. Waar het hete gesmolten zout in contact is met het metaal, corrosie kan snel plaatsvinden, maar met deze nikkel-chroomlegeringen ontdekten ze dat de corrosie twee keer zo lang duurde om zich te ontwikkelen toen het materiaal baadde in straling van een protonenversneller, een stralingsomgeving produceren die vergelijkbaar is met die in de voorgestelde reactoren.

Door de bruikbare levensduur van kritische reactorcomponenten nauwkeuriger te kunnen voorspellen, kan de behoefte aan preventieve, vroegtijdige vervanging van onderdelen, Kort zegt.

Zorgvuldige analyse van afbeeldingen van de aangetaste legeringsoppervlakken met behulp van transmissie-elektronenmicroscopie, na bestraling van het metaal in contact met gesmolten zout bij 650 graden Celsius, (een typische bedrijfstemperatuur voor zout in dergelijke reactoren), hielp om het mechanisme te onthullen dat het onverwachte effect veroorzaakt. De straling heeft de neiging om meer kleine defecten in de structuur van de legering te veroorzaken, en deze defecten zorgen ervoor dat atomen van het metaal gemakkelijker kunnen diffunderen, naar binnen stromen om snel de holtes op te vullen die door het corrosieve zout worden gecreëerd. In werkelijkheid, de stralingsschade bevordert een soort zelfherstellend mechanisme in het metaal.

Een halve eeuw geleden waren er aanwijzingen voor een dergelijk effect, toen experimenten met een vroege experimentele zoutgekoelde splijtingsreactor minder corrosie vertoonden dan verwacht in zijn materialen, maar de redenen daarvoor waren een mysterie gebleven tot dit nieuwe werk, Kort zegt. Zelfs na de eerste experimentele bevindingen van dit team, Kort zegt, "Het kostte ons veel meer tijd om het te begrijpen."

De ontdekking kan relevant zijn voor een verscheidenheid aan voorgestelde nieuwe ontwerpen voor reactoren die veiliger en efficiënter kunnen zijn dan bestaande ontwerpen, Kort zegt. Verschillende ontwerpen voor zoutgekoelde splijtingsreactoren zijn voorgesteld, waaronder een door een team onder leiding van Charles Forsberg, een hoofdonderzoeker bij de afdeling Nucleaire Wetenschappen en Engineering van het MIT. De bevindingen kunnen ook nuttig zijn voor verschillende voorgestelde ontwerpen voor nieuwe soorten fusiereactoren die actief worden nagestreefd door startende bedrijven, die het potentieel hebben om elektriciteit te leveren zonder uitstoot van broeikasgassen en veel minder radioactief afval.

"Het is niet specifiek voor een bepaald ontwerp, ' zegt Short. 'Het helpt iedereen.'

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.