Het was gewoon een stuk rommel dat achter in een laboratorium van de MIT Nuclear Reactor-faciliteit zat, klaar om te worden weggegooid. Maar het werd de sleutel tot het demonstreren van een uitgebreidere manier om structurele schade op atomair niveau in materialen te detecteren - een benadering die de ontwikkeling van nieuwe materialen zal helpen en mogelijk de voortdurende werking van koolstofemissievrije kerncentrales zou kunnen ondersteunen, die zou helpen om de wereldwijde klimaatverandering te verminderen.

Een minuscuul titaniummoertje dat uit de reactor was verwijderd, was precies het soort materiaal dat nodig was om te bewijzen dat deze nieuwe techniek, ontwikkeld aan het MIT en bij andere instellingen, een manier biedt om defecten te onderzoeken die zijn gemaakt in materialen, inclusief die welke zijn blootgesteld tegen straling, met een vijf keer grotere gevoeligheid dan bestaande methoden.

De nieuwe aanpak onthulde dat veel van de schade die in reactoren plaatsvindt op atomaire schaal plaatsvindt en als gevolg daarvan moeilijk te detecteren is met bestaande methoden. De techniek biedt een manier om deze schade direct te meten door de manier waarop deze verandert met de temperatuur. En het zou kunnen worden gebruikt om monsters te meten van de huidige vloot van kernreactoren, waardoor de veilige exploitatie van centrales tot ver buiten hun huidige vergunning mogelijk kan worden gemaakt.

De bevindingen worden gerapporteerd in het tijdschrift Science Advances in een paper van MIT-onderzoeksspecialist en recent afgestudeerde Charles Hirst Ph.D. '22; MIT-professoren Michael Short, Scott Kemp en Ju Li; en vijf anderen aan de Universiteit van Helsinki, het Idaho National Laboratory en de University of California in Irvine.

In plaats van direct de fysieke structuur van een materiaal in kwestie te observeren, kijkt de nieuwe benadering naar de hoeveelheid energie die in die structuur is opgeslagen. Elke verstoring van de ordelijke structuur van atomen in het materiaal, zoals die veroorzaakt door blootstelling aan straling of door mechanische spanningen, geeft in feite overmatige energie aan het materiaal. Door dat energieverschil te observeren en te kwantificeren, is het mogelijk om de totale hoeveelheid schade in het materiaal te berekenen, zelfs als die schade de vorm heeft van defecten op atomaire schaal die te klein zijn om met microscopen of andere detectiemethoden in beeld te worden gebracht.

Het principe achter deze methode was door middel van berekeningen en simulaties tot in detail uitgewerkt. Maar het waren de daadwerkelijke tests op die ene titanium moer van de MIT-kernreactor die het bewijs leverden - en zo de deur openden voor een nieuwe manier om schade aan materialen te meten.

De methode die ze gebruikten, wordt differentiële scanningcalorimetrie genoemd. Zoals Hirst uitlegt, is dit in principe vergelijkbaar met de calorimetrie-experimenten die veel studenten uitvoeren in scheikundelessen op de middelbare school, waar ze meten hoeveel energie het kost om de temperatuur van een gram water met één graad te verhogen. Het systeem dat de onderzoekers gebruikten was "in wezen precies hetzelfde, het meten van energetische veranderingen. ... Ik noem het gewoon een mooie oven met een thermokoppel erin."

Het scangedeelte heeft te maken met het geleidelijk verhogen van de temperatuur, beetje bij beetje en kijken hoe het monster reageert, en het differentiële gedeelte verwijst naar het feit dat twee identieke kamers tegelijk worden gemeten, een leeg en een met het monster dat wordt bestudeerd . Het verschil tussen de twee onthult details van de energie van het monster, legt Hirst uit.

"We verhogen de temperatuur van kamertemperatuur tot 600 graden Celsius, met een constante snelheid van 50 graden per minuut", zegt hij. Vergeleken met het lege vat, "zal je materiaal natuurlijk achterblijven omdat je energie nodig hebt om je materiaal te verwarmen. Maar als er veranderingen zijn in de energie in het materiaal, zal dat de temperatuur veranderen. In ons geval was er een energieafgifte toen de defecten recombineren, en dan krijgt het een beetje een voorsprong op de oven ... en dat is hoe we de energie in ons monster meten."

Hirst, die het werk over een periode van vijf jaar uitvoerde als zijn proefschriftproject, ontdekte dat in tegenstelling tot wat werd aangenomen, het bestraalde materiaal aantoonde dat er twee verschillende mechanismen betrokken waren bij de relaxatie van defecten in titanium bij de bestudeerde temperaturen , onthuld door twee afzonderlijke pieken in calorimetrie. "In plaats van dat er één proces plaatsvond, zagen we er duidelijk twee, en elk ervan komt overeen met een andere reactie die in het materiaal plaatsvindt", zegt hij.

Ze ontdekten ook dat de uitleg uit het handboek over hoe stralingsschade zich gedraagt ​​​​met temperatuur niet nauwkeurig was, omdat eerdere tests meestal waren uitgevoerd bij extreem lage temperaturen en vervolgens waren geëxtrapoleerd naar de hogere temperaturen van real-life reactoractiviteiten. "Mensen waren zich er niet per se van bewust dat ze aan het extrapoleren waren, hoewel ze dat wel waren," zegt Hirst.

"Het feit is dat onze algemene kennisbasis voor hoe stralingsschade evolueert, gebaseerd is op elektronenstraling bij extreem lage temperatuur", voegt Short eraan toe. "Het werd gewoon het geaccepteerde model, en dat is wat in alle boeken wordt onderwezen. Het kostte ons een tijdje om ons te realiseren dat ons algemene begrip gebaseerd was op een zeer specifieke voorwaarde, ontworpen om wetenschap te verhelderen, maar over het algemeen niet van toepassing op omstandigheden waarin we deze materialen echt willen gebruiken."

Nu kan de nieuwe methode worden toegepast "op materialen die uit bestaande reactoren zijn geplukt, om meer te weten te komen over hoe ze tijdens bedrijf degraderen", zegt Hirst.

"Het allerbelangrijkste dat de wereld kan doen om goedkope, koolstofvrije stroom te krijgen, is door de huidige reactoren op het net te houden. Ze zijn al betaald, ze werken", voegt Short eraan toe. Maar om dat mogelijk te maken, "kunnen we ze alleen op de grid houden door meer zekerheid te hebben dat ze goed blijven werken." En daar komt deze nieuwe manier om schade te beoordelen om de hoek kijken.

Hoewel de meeste kerncentrales een vergunning hebben voor 40 tot 60 jaar gebruik, "hebben we het er nu over om diezelfde activa tot 100 jaar te laten werken, en dat hangt er bijna volledig van af of de materialen bestand zijn tegen de zwaarste ongevallen", Kort zegt. Met deze nieuwe methode "kunnen we ze inspecteren en uitschakelen voordat er iets onverwachts gebeurt."

In de praktijk zouden fabrieksoperators een klein stukje materiaal uit kritieke delen van de reactor kunnen verwijderen en dit kunnen analyseren om een ​​vollediger beeld te krijgen van de toestand van de algehele reactor. Bestaande reactoren draaiende houden is "het grootste wat we kunnen doen om het aandeel koolstofvrije energie hoog te houden", benadrukt Short. "Dit is een manier waarop we denken dat we dat kunnen doen."

Het proces beperkt zich niet alleen tot de studie van metalen, en het is ook niet beperkt tot schade veroorzaakt door straling, zeggen de onderzoekers. De methode zou in principe kunnen worden gebruikt om andere soorten defecten in materialen te meten, zoals die veroorzaakt door spanningen of schokgolven, en zou ook kunnen worden toegepast op materialen zoals keramiek of halfgeleiders.

In feite, zegt Short, zijn metalen de moeilijkste materialen om met deze methode te meten, en al vroeg vroegen andere onderzoekers zich af waarom dit team zich concentreerde op schade aan metalen. Dat kwam deels omdat reactorcomponenten meestal van metaal zijn gemaakt, en ook omdat "Het is het moeilijkste, dus als we dit probleem oplossen, hebben we een hulpmiddel om ze allemaal te kraken!"

Het meten van defecten in andere soorten materialen kan tot 10.000 keer eenvoudiger zijn dan in metalen, zegt hij. "Als we dit met metalen kunnen doen, kunnen we dit extreem, alomtegenwoordig maken." En dat allemaal mogelijk gemaakt door een klein stukje rommel dat achter in een lab zat.

Het onderzoeksteam omvatte Fredric Granberg en Kai Nordlund van de Universiteit van Helsinki in Finland; Boopathy Kombaiah en Scott Middlemas in het Idaho National Laboratory; en Penghui Cao aan de Universiteit van Californië in Irvine. + Verder verkennen

Hoe langdurige blootstelling aan straling kernreactoren beschadigt