Technologia

Reaktory będą bezpieczniejsze?

Samo naprawiające się materie w reaktorach nuklearnych mogą pewnego dnia stać się rzeczywistością, dzięki badaniom przeprowadzanym przez naukowców z Narodowego Laboratorium w Los Alamos.  

Materia nanokrystaliczna to ta stworzona z nanocząsteczek, w tym przypadku z nanocząsteczek miedzi. Pojedyncza nanocząsteczka (zwana „ziarnem”) ma rozmiary wirusa, lub nawet mniejsze. Materia nanokrystaliczna to mikstura ziaren, oraz interfejsu pomiędzy tymi ziarnami zwanym zarysem ziarna. Przy projektowaniu reaktorów nuklearnych, lub materii użytej w nich, jednym z kluczowych wyzwań jest znalezienie materii, które będą w stanie wytrzymać w niezwykle ekstremalnym środowisku. Przy nieuniknionym i nieustającym bombardowaniu promieniotwórczym, materia reaktora wystawiana jest na szkodliwe działanie temperatury, nacisku i warunków korozyjnych. Wystawiona na wysokie działanie promieniowania produkuje poważne zniszczenia w nanoskali. Promieniowanie może spowodować wytrącenie pojedynczych atomów, lub całych grup atomów z ich dotychczasowego położenia. Każdy wędrowny atom staje się wtedy atomem międzywęzłowym. Pusta przestrzeń pozostawiona przez wytrącony atom zwana jest wakatem. Każdy atom międzywęzłowy również tworzy jeden wakat. Podczas gdy takie defekty jak atomy międzywęzłowe i wakaty powstają w danym materiale, rezultatem może być puchnięcie, stwardnianie lub chorowanie, które mogą doprowadzić do katastroficznej porażki.

Dlatego też, zaprojektowanie materii odpornej na zniszczenia poprzez promieniowanie jest niezmiernie ważne w udoskonaleniu niezawodności, bezpieczeństwa i długości życia nuklearnych systemów energii. Ponieważ materia nanokrystaliczna zawiera duże części obszarów ziarna – które uważane są za zlewy wchłaniające i usuwające defekty – naukowcy spodziewali się, że te materie będą bardziej tolerancyjne wobec promieniowania, niż ich większe odpowiedniki. Jednakże, możliwość przewidzenia tego jak zachowa się materia nanokrystaliczna w ekstramalnych warunkach była praktycznie niemożliwa, ponieważ dokładne szczegóły dotyczące procesów zachodzących wewnątrz ciał są bardzo złożone i trudne do zobrazowania. Najnowsze symulacje komputerowe naukowców z Los Alamos, pomagają w wyjaśnieniu kilku z tych szczegółów.  W artykule naukowym, badacze opisują wcześniej nie zaobserwowane zjawisko – efekt „ładowania-wyładowywania” w obszarach ziarna materii nanokrystalicznej. Efekt ten pozwala na efektywne samo-uleczanie defektów powstałych wskutek promieniowania. Wykorzystując trzy różne metody komputerowej symulacji, naukowcy przyjrzeli się  oddziaływaniu pomiędzy defektami, a obszarami ziarna w skalach czasowych wchających się pomiędzy pikosekundą, a mikrosekundą (od jednej trylionowej sekundy, do jednej milionowej sekundy). Na krótszych odcinkach czasowych materia zniszczona promieniowaniem uległa procesowi „ładowania” w obszarach ziarna, w których międzywęzłowe atomy zostały uwięzione, lub „załadowane” do granic ziarna. W takich okolicznościach, następująca ilość nagromadzonych, wolnych miejsc w masie materii występuje w o wiele większej ilości niż w masie materii, w której granica nie istnieje. Po uwięzieniu atomów międzywęzłowych, obszar ziarna, w późniejszym czasie „wyładowuje” te atomy z powrotem do wakatów bliskich granicy ziarna. W rezultacie, proces ten unicestwia oba rodzaje defektów i ulecza materię.    Wspomniany proces „wyładowywania” był całkowicie niespodziewany, ponieważ tradycyjnie obszary ziarna uznawane były za miejsca gromadzące atomy międzywęzłowe, a nie za miejsca które je wypuszczają. Pomimo tego, że badacze odkryli, iż jakaś część energii jest niezbędna do operowania przy tej nowo odkrytej metodzie rekombinacji, jej ilość jest o wiele mniejsza niż ilość energii potrzebnej do operowania konwencjonalnym mechanizmem   – zapewniając wyjaśnienie i uwydatniony mechanizm uleczający zniszczenia dokonane przez promieniowanie.  Modelowanie roli „ładowania-wyładowywania” w obszarach ziarna pomaga w wytłumaczeniu wcześniej zaobserwowanego, nielogicznego zachowania napromieniowanej nanokrystalicznej materii przy porównaniu jej do większych, ziarnistych odpowiedników. Wnikliwość tej pracy dostarcza nowych możliwości do dalszego badania roli obszarów ziarna i inżynierii interfejsów materii w samo-uleczaniu uszkodzeń wywołanych promieniowaniem. Takie działania mogą ostatecznie pomóc i przyspieszyć projektowanie wysoko tolerancyjnej na promieniowanie materii dla następnych generacji aplikacji o energii nuklearnej.

W skład naukowej ekipy Narodowego Laboratorium w Los Alamos wchodzą: Xian-Ming Bai, Richard G. Hoagland, Blas P. Uberuaga z wydziału Nauki o Materii i Technologii, Arthur F. Voter z wydziału teoretycznego oraz Michael Nastasi Wydziału Fizyki Materii i Aplikacji. Praca była pierwotnie sponsorowana przez program Los Alamos Laboratory-Directed Research an Development (LDRD), w który dzięki rozwadze Dyrektora Laboratorium zainwestowany został mały procent budżetu laboratorium. Laboratorium chętnie inwestuje w wysoko opłacalne projekty, zarazem o wysokim współczynniku ryzyka, aby pomóc w przygotowaniu laboratorium do powstających wyzwań wagi narodowego bezpieczeństwa. Badania otrzymały również określoną dotację z Center for Materials under Irradiation and Mechanical Extremes, Nadgranicznego Centrum Badania Energii ufundowanego przez Departament Biura Energii i Nauki Stanów Zjednoczonych.

Redaktor

Dodaj komentarz

Kliknij, aby opublikować komentarz