O acidente na central nuclear de Fukushima, em 2011, no Japão, levou os cientistas a buscarem materiais para os reatores mais resistentes aos danos severos causados pela radiação.

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Um destes materiais é o nitreto de titânio, composto cerâmico testado em uma pesquisa internacional com participação da Escola Politécnica (Poli) da USP. Por meio de uma técnica avançada de microscopia eletrônica, o efeito da radiação é simulado sem necessidade de produzir uma reação nuclear, o que reduz o custo dos experimentos. O método usado no experimento é descrito em artigo do Journal of Nuclear Materials.

Os reatores nucleares possuem uma câmara em que são inseridas varetas metálicas com o combustível nuclear e o material que controla a intensidade da reação entre as partículas dos átomos, que leva à geração de energia. “A radiação produzida na reação pode danificar o revestimento do combustível e comprometer o reator”, conta o professor Claudio Schön, da Poli, um dos autores do artigo. “Em Fukushima, o revestimento era feito de zircaloy, uma liga metálica com zircônio. O vapor de água presente na câmara do reator reagiu com o zircônio, produzindo hidrogênio molecular, que se acumulou e causou uma explosão.”

Desde então, segundo o professor, a comunidade científica busca soluções para evitar novos acidentes como esse. Uma das propostas é a adição de um filme fino sobre o zircaloy. Para essa finalidade, o Laboratório Nacional de Oak Ridge (Estados Unidos) estuda o nitreto de titânio, e um dos pesquisadores envolvidos é o primeiro autor do artigo, o físico Matheus Tunes, formado no Instituto de Física (IF) da USP. Na Poli, o doutorando Felipe Carneiro da Silva, orientado por Schön, pesquisa as propriedades mecânicas dos filmes finos de nitreto de titânio. A partir dos estudos de Carneiro da Silva, o físico testou o material nos laboratórios da Universidade de Huddersfield (Reino Unido).

Radiação simulada

O nitreto de titânio foi observado em um microscópio de transmissão, acoplado a um acelerador de partículas. “A radiação é simulada por um feixe de íons de xenônio (gás nobre) que, ao se chocar com as partículas do material testado, simula o dano causado pela radiação do combustível nuclear”, explica Schön. “Se a simulação fosse feita em um reator nuclear, além do custo mais elevado e da dificuldade de controlar a reação, todo o material potencialmente se tornaria radioativo, o que não acontece com essa técnica.”

As análises demonstraram que o nitreto de titânio não é um material adequado para revestir o combustível nuclear. “Os testes identificaram dois processos que comprometem o desempenho da liga. Um deles é a segregação induzida por radiação, em que a energia envolvida na reação faz os átomos de titânio se concentrarem em defeitos cristalinos do material”, descreve o professor. “O outro é o aparecimento de cavidades e bolhas, que crescem rapidamente ao receberem o nitrogênio existente no composto, causando um inchamento que é ruim para a operação do reator.”

Materiais promissores

Em sua pesquisa de doutorado na Universidade de Huddersfield, Tunes utiliza a microscopia de transmissão para analisar dois materiais promissores no campo da proteção de danos causados pela radiação, as ligas de alta entropia (ligas metálicas complexas com vários elementos) e o MAX Phases (combinação de metal com carbono e silício). “Essas combinações permitiriam ligas metálicas com uma temperatura de fusão muito alta, o que dificultaria mudanças na estrutura do material, aumentando sua estabilidade”, afirma Schön. “Quanto menos a liga se alterar, maior será a capacidade de resistir à radiação.”

Os novos materiais poderão tornar viável a construção de reatores nucleares por fusão. “Os reatores atuais usam a técnica de fissão, em que a energia vem dos nêutrons, partículas dos átomos que interagem pouco com a matéria, limitando o dano causado pela radiação”, diz o professor. “Na fusão, são produzidas partículas alfa de altas energias (núcleos do gás hélio), cuja capacidade de interação é muito maior que a dos nêutrons. Isso faz com que todas as partículas causem danos, dificultando a criação de uma estrutura de controle que permita um reator funcional.”

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