Wanneer versnelde neutronen of ionen een materiaal bombarderen, ondergaat de oppervlaktelaag dramatische fysieke en chemische transformaties. Het National Center for Nuclear Research in Swierk, Polen, is erin geslaagd om in detail te leren over de processen die zich in dergelijke situaties in polymeren voordoen. De verzamelde kennis werd door natuurkundigen gebruikt om een ​​methode te ontwikkelen om superafdichtingen te produceren. Ze stelden ook een eenvoudige en snelle manier voor om gevaarlijke kabels te detecteren waarvan de polymeerisolatie hun isolerende eigenschappen begint te verliezen.

De veilige en betrouwbare werking van kernreactoren, en in de toekomst ook van fusiereactoren, hangt strikt af van de kwaliteit van hun bekabeling. Onderzoek uitgevoerd door het Nationaal Centrum voor Nucleair Onderzoek (NCBJ) in Świerk, Polen, toont echter aan dat polymeer kabelisolaties, die tientallen jaren aan hoge doses straling zijn blootgesteld, geleidelijk hun isolerende eigenschappen verliezen. Een groep natuurkundigen van NCBJ, onder leiding van prof. Jacek Jagielski, leerde niet alleen de details van dit proces kennen, maar stelde ook een gebruiksvriendelijke techniek voor om gevaarlijke kabels te detecteren.

Het team van prof. Jagielski houdt zich al heel lang bezig met problemen die te maken hebben met de modificatie van de oppervlaktelaag van materialen met ionenbundels. Een paar jaar geleden werd de aandacht van onderzoekers gevestigd op polymeerafdichtingen. Een van de Poolse bedrijven kwam op dat moment in de problemen vanwege de afdichtingen in het vervaardigde militaire materieel. De machines werden geëxporteerd naar een land met een tropisch en regenachtig klimaat. De afdichtingen in motoren, die in Polen zonder grote problemen werkten, begonnen onder de nieuwe omstandigheden oververhit te raken en te lekken. Ondertussen dwong het contract de fabrikant om de hele defecte aandrijfeenheid te vervangen vanwege één pakking.

Oververhitting van pakkingen die worden gebruikt in bewegende mechanismen is een gevolg van de hoge wrijvingscoëfficiënt van de polymeren waaruit ze in het algemeen zijn gemaakt. De groep van prof. Jagielski besloot na te gaan of ionenbestraling de wrijvingscoëfficiënt beïnvloedt. Het bleek dat een dunne oppervlaktelaag van polymeer, ongeveer een micrometer dik, aanzienlijk uithardt als gevolg van bombardement. Zijn wrijvingscoëfficiënt nam zelfs tien keer af - en dit ondanks het feit dat het al snel een netwerk van scheuren bedekte.

Een significante vermindering van de waarde van de wrijvingscoëfficiënt van polymeerpakkingen betekent in de praktijk een vermindering van de slijtage van mechanische elementen. Mechanismen die zijn uitgerust met aangepaste pakkingen zullen daarom niet alleen langer, maar ook efficiënter werken, vooral omdat de oppervlaktescheuren kunnen worden gebruikt als reservoirs van smeermiddel. In sommige gevallen, zoals pneumatische aandrijvingen, kan de machine sneller werken, wat leidt tot een verhoging van de productiviteit.

"Tijdens het onderzoek naar pakkingen merkten we dat de elektrische eigenschappen van polymeren begonnen te veranderen als gevolg van stralingsdefecten", zegt prof. Jagielski. "Dus leek het logisch om een ​​andere vraag te stellen:wat gebeurt er met de isolatie van kabels die worden blootgesteld aan straling, als hun isolatie ook van polymeren is gemaakt?"

Het lijkt misschien een nichekwestie, maar het krijgt een andere betekenis in een tijd waarin de efficiëntie en veiligheid van kernenergie weer gewaardeerd begint te worden. Moderne kerncentrales zijn ontworpen met het oog op minimaal 60 jaar werking, steeds vaker met de mogelijkheid om dit uit te breiden tot honderd. Tegelijkertijd moet elke reactor worden uitgerust met enkele duizenden kilometers kleinere en grotere kabels. Sommigen van hen zullen tientallen jaren worden blootgesteld aan neutronenbombardementen die vrijkomen bij kernreacties. In deze situatie wordt de vraag over het lot van de polymeren die hun isolatie garanderen een vraag over de energiezekerheid van miljoenen mensen.

In kernreactoren worden materialen blootgesteld aan neutronen en gammastraling. De overgrote meerderheid van de defecten in het bestraalde materiaal wordt echter niet rechtstreeks veroorzaakt door neutronen of fotonen, maar door de atomen die ze uitschakelen of de verbroken atoombindingen. Materiaaldefecten veroorzaakt door neutronen verschillen in de praktijk dus niet wezenlijk van die veroorzaakt door ionen. In plaats van omslachtig onderzoek in de reactor uit te voeren, zou het NCBJ-team een ​​prototype industriële ionenimplantator van hun eigen ontwerp kunnen gebruiken.

Isolatiematerialen als polyvinylchloride (PVC), teflon (PTFE) en diverse soorten rubber (natuur, EPDM, NBR, SBR) werden bestraald. Onderzoekers waren geïnteresseerd in de chemische samenstelling van de gemodificeerde oppervlaktelaag, de fysieke structuur en de topografie van het oppervlak. De resultaten van de metingen en hun conclusies zijn zojuist gepresenteerd in een uitgebreid artikel gepubliceerd in het Journal of Applied Physics .

"Polymeren bestaan ​​voornamelijk uit koolstof en waterstof", legt Anna Kosińska uit, de eerste auteur van het bovengenoemde artikel, Ph.D. leerling. "De bindingen tussen deze elementen behoren tot de zwakste en worden verbroken tijdens bombardementen met snelle ionen. Het vrijgekomen waterstofatoom vangt zijn collega op uit de omgeving en ontsnapt in moleculaire vorm uit het materiaal in de omgeving. Wat overblijft is amorfe koolstof lijkt op adamantiet, dat elektriciteit kan geleiden. Dit alles bij elkaar betekent dat de polymeerisolatie van kabels die aan straling worden blootgesteld na verloop van tijd hun isolerende eigenschappen zal verliezen."

De aandacht van NCBJ-fysici werd gevestigd op het feit dat de oppervlaktelaag van het polymeer begint te krimpen door het vrijkomen van waterstof. Als gevolg hiervan wordt het dichter dan het origineel en tot tien keer harder dan het origineel. Nauwgezet onderzoek heeft aangetoond dat er een duidelijk verband bestaat tussen de veranderingen in de mechanische eigenschappen van de kabelisolatie en de elektrische weerstand ervan. Om erachter te komen of de isolatie goed werkt, volstaat het om de hardheid van de kabelisolatie te meten met een draagbare hardheidsmeter.

"We realiseren ons dat de methode die we voorstellen om veranderingen in de elektrische weerstand van polymeerisolaties te detecteren niet perfect nauwkeurig is. Het heeft echter zeer belangrijke functionele voordelen:het is eenvoudig, snel en stelt je in staat om vrijwel onmiddellijk te bepalen of de geteste kabel gevaarlijk wordt ', zegt prof. Jagielski. + Verder verkennen

Onderzoekers ontdekken mechanisme achter invloed van bestralingsdefecten op tritiumpermeatiebarrière