Kernenergie is een belangrijk onderdeel van de toekomst van onze natie op het gebied van schone energie, maar de technologie is in de nasleep van de recente ramp in Fukushima in Japan steeds meer onder de loep genomen. Inderdaad, veel landen hebben opgeroepen tot controles en "stresstests" om ervoor te zorgen dat kerncentrales veilig werken.

In de Verenigde Staten, ongeveer 20 procent van onze elektriciteit en bijna 70 procent van de elektriciteit uit emissievrije bronnen, met inbegrip van hernieuwbare technologieën en waterkrachtcentrales, wordt geleverd door kernenergie. Samen met stroomopwekking, veel van 's werelds nucleaire faciliteiten worden gebruikt voor onderzoek, materiaal testen, of de productie van radio-isotopen voor de medische industrie. De levensduur van structurele en functionele materiaalcomponenten in deze faciliteiten is daarom cruciaal voor een betrouwbare werking en veiligheid.

Nu wetenschappers van Berkeley Lab, de Universiteit van Californië in Berkeley, en Los Alamos National Laboratory hebben een testtechniek op nanoschaal ontwikkeld voor bestraalde materialen die materiaalsterkte-eigenschappen op macroschaal biedt. Deze techniek kan de ontwikkeling van nieuwe materialen voor nucleaire toepassingen helpen versnellen en de hoeveelheid materiaal die nodig is voor het testen van reeds in gebruik zijnde faciliteiten verminderen.

"Mechanische tests op nanoschaal geven je altijd hogere sterktes dan de macroschaal, bulkwaarden voor een materiaal. Dit is een probleem als je echt een test op nanoschaal wilt gebruiken om je iets te vertellen over de eigenschappen van het bulkmateriaal, " zei Andrew Minor, een faculteitswetenschapper in het National Center for Electron Microscopy (NCEM) en een universitair hoofddocent op de afdeling materiaalkunde en engineering van UC Berkeley. "We hebben aangetoond dat je echte eigenschappen kunt krijgen van bestraalde monsters met een diameter van slechts 400 nanometer, wat echt het gebied van nucleair materiaal opent om te profiteren van testen op nanoschaal."

In dit onderzoek, Minor en zijn collega's voerden compressietests uit van koperspecimens bestraald met hoogenergetische protonen, ontworpen om te modelleren hoe schade door straling de mechanische eigenschappen van koper beïnvloedt. Door gebruik te maken van een gespecialiseerd in situ mechanisch testapparaat in een transmissie-elektronenmicroscoop bij NCEM, het team kon - met een resolutie op nanoschaal - de aard van de vervorming onderzoeken en hoe deze was gelokaliseerd in slechts een paar atomaire vlakken.

Driedimensionale defecten in het koper gecreëerd door straling kunnen de beweging van eendimensionale defecten in de kristalstructuur blokkeren, dislocaties genoemd. Deze interactie zorgt ervoor dat bestraalde materialen bros worden, en verandert de hoeveelheid kracht die een materiaal kan weerstaan ​​voordat het uiteindelijk breekt. Door sterktewaarden op nanoschaal te vertalen in bulkeigenschappen, deze techniek kan reactorontwerpers helpen geschikte materialen te vinden voor technische componenten in kerncentrales.

"Deze kleinschalige testtechniek kan de levensduur van een kernreactor helpen verlengen, " zei co-auteur Peter Hosemann, een assistent-professor op de afdeling nucleaire engineering van UC Berkeley. "Door een kleiner exemplaar te gebruiken, we beperken alle veiligheidsproblemen met betrekking tot de behandeling van het testmateriaal en kunnen mogelijk de exacte eigenschappen meten van een materiaal dat al wordt gebruikt in een 40 jaar oude nucleaire faciliteit om ervoor te zorgen dat deze structuur tot ver in de toekomst meegaat."

Minor voegt toe, "Begrijpen hoe materialen falen is een fundamentele mechanistische vraag. Deze proof-of-principle-studie geeft ons een modelsysteem van waaruit we nu kunnen beginnen met het verkennen van echte, praktische materialen die van toepassing zijn op kernenergie. Door de rol van defecten op de mechanische eigenschappen van kernreactormaterialen te begrijpen, we kunnen materialen ontwerpen die beter bestand zijn tegen stralingsschade, wat leidt tot meer geavanceerde en veiligere nucleaire technologieën."