A radiação quase sempre degrada os materiais expostos a ela, acelerando sua deterioração e exigindo a substituição de componentes-chave em ambientes de alta radiação, como reatores nucleares. Mas, para certas ligas que poderiam ser usadas em reatores de fissão ou fusão, o oposto é verdadeiro: pesquisadores do MIT e da Califórnia descobriram que, em vez de acelerar a degradação do material, a radiação realmente melhora sua resistência, potencialmente duplicando a utilidade do material. tempo de vida.
A descoberta pode ser um benefício para alguns projetos de reatores de ponta, incluindo reatores de fissão resfriados por sal fundido e novos reatores de fusão, como o projeto ARC, desenvolvido pelo MIT e pela Commonwealth Fusion Systems.
A descoberta, que surpreendeu os cientistas nucleares, é relatada na revista Nature Communications, em um artigo do professor de ciência e engenharia nuclear Michael Short, do estudante de pós-graduação Michael Short, do estudante de graduação Weiyue Zhou e de outros cinco no MIT e no Laboratório Nacional Lawrence Berkeley.
Short diz que a descoberta foi um acaso; de fato, os pesquisadores procuravam quantificar o efeito oposto. Inicialmente, eles queriam determinar quanta radiação aumentaria a taxa de corrosão em certas ligas de níquel e cromo que podem ser usadas como revestimento para conjuntos de combustível nuclear.
As experiências foram difíceis de realizar, porque é impossível medir temperaturas diretamente na interface entre o sal fundido, usado como refrigerante, e a superfície da liga metálica. Portanto, era necessário descobrir as condições indiretamente cercando o material com uma bateria de sensores. Desde o início, porém, os testes mostraram sinais do efeito oposto – a corrosão, a principal causa de falha de materiais no ambiente hostil de um vaso de reator, parecia ser mais reduzida do que acelerada quando banhada em radiação, neste caso um alto fluxo de prótons.
“Repetimos isso dezenas de vezes, com condições diferentes”, diz Short, “e toda vez que obtivemos os mesmos resultados” mostrando a corrosão atrasada.
O tipo de ambiente do reator que a equipe simulou em seus experimentos envolve o uso de sódio derretido, lítio e sal de potássio como refrigerante, tanto para as hastes de combustível nuclear em um reator de fissão quanto para o vaso a vácuo em torno de um super turbilhão de plasma em uma fusão futura reator. Onde o sal fundido quente está em contato com o metal, a corrosão pode ocorrer rapidamente, mas com essas ligas de níquel-cromo, eles descobriram que a corrosão demorava o dobro do tempo para se desenvolver quando o material era banhado em radiação de um acelerador de prótons, produzindo um ambiente de radiação semelhante ao encontrado nos reatores propostos.
Ser capaz de prever com mais precisão a vida útil dos componentes críticos do reator pode reduzir a necessidade de substituição preemptiva e precoce de peças, diz Short.
A análise cuidadosa de imagens das superfícies de liga afetadas usando a microscopia eletrônica de transmissão, após irradiar o metal em contato com o sal fundido a 650 graus Celsius (uma temperatura de operação típica do sal nesses reatores), ajudou a revelar o mecanismo que causava o efeito inesperado. A radiação tende a criar defeitos mais minúsculos na estrutura da liga, e esses defeitos permitem que os átomos do metal se difundam mais facilmente, fluindo para preencher rapidamente os vazios que são criados pelo sal corrosivo. Com efeito, os danos causados pela radiação promovem um tipo de mecanismo de autocura dentro do metal.
Houve indícios de tal efeito há meio século, quando experimentos com um reator experimental de fissão resfriado a sal mostraram corrosão abaixo do esperado em seus materiais, mas as razões para isso permaneceram um mistério até este novo trabalho, diz Short. . Mesmo após as descobertas experimentais iniciais dessa equipe, Short diz: “demoramos muito mais para entender isso”.
A descoberta pode ser relevante para uma variedade de novos projetos propostos para reatores que podem ser mais seguros e eficientes do que os projetos existentes, diz Short. Vários projetos de reatores de fissão resfriados a sal foram propostos, incluindo um por uma equipe liderada por Charles Forsberg, principal pesquisador do Departamento de Ciência e Engenharia Nuclear do MIT. As descobertas também podem ser úteis para vários projetos propostos para novos tipos de reatores de fusão sendo ativamente perseguidos por empresas iniciantes, que possuem o potencial de fornecer eletricidade sem emissões de gases de efeito estufa e muito menos resíduos radioativos.
“Não é específico para nenhum projeto”, diz Short. “Ajuda a todos.”
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