Sistema basado en láser permite monitoreo en tiempo real de daño por radiación en materiales

• Un nuevo sistema basado en espectroscopía de rejilla transitoria detecta cambios inducidos por radiación en materiales en tiempo real.
• Comparado con técnicas existentes que tardan medio año en caracterizar completamente un material dado, solo toma un día.

Entornos de alta radiación, como los que se encuentran en los núcleos de centrales nucleares, requieren materiales de extremadamente alta calidad. La microestructura, y por tanto el rendimiento, de estos materiales en instalaciones nucleares cambian drásticamente a lo largo de los años de operación.

La mayoría de los materiales fallan debido a precipitación mejorada, hinchazón volumétrica, disolución de inclusiones balísticas, agrietamiento por corrosión asistido por irradiación y segregación mejorada.

Los métodos existentes para probar la capacidad de los materiales para soportar tales entornos hostiles no son muy efectivos. Se basan en el enfoque "cocinar y mirar", en el que los materiales se someten a entornos de alta radiación y luego se retiran para inspección cercana. El proceso, sin embargo, consume tanto tiempo que retrasa el desarrollo de materiales avanzados para nuevos reactores.

Para resolver este problema, un equipo de investigación del MIT y los Laboratorios Nacionales Sandia ha construido un nuevo sistema que puede rastrear eficazmente los cambios inducidos por radiación en tiempo real y proporcionar más información que las técnicas convencionales.

Dado que numerosas instalaciones nucleares se acercan al final de sus vidas operativas, la tecnología podría ayudar a decidir qué plantas nucleares pueden extenderse de forma segura y en qué medida.

La nueva forma de probar materiales

El nuevo sistema basado en láser se basa en la espectroscopía de rejilla transitoria (ERT) – una técnica óptica para medir la propagación de cuasipartículas. Puede detectar cambios físicos en el material, incluyendo difusividad térmica y elasticidad, sin dañar ni cambiar sus propiedades.

El equipo ha estado probando este método durante unos dos años. Ahora, el sistema está listo para proporcionar datos precisos que pueden ayudar a los ingenieros a entender cómo los materiales dentro de los vasos de reactores se degradan con el tiempo.

Referencia: ScienceDirect | doi:10.1016/j.nimb.2018.10.025 | MIT

Esta es la primera vez que alguien usa ERT para observar de cerca el daño causado por radiación. Podría detectar si las propiedades del material han cambiado durante los años operativos, como su capacidad para responder a esfuerzos o conducir calor.

Para replicar entornos de radiación, los investigadores simulaban los efectos del bombardeo de neutrones usando haces de iones, que dañan el material de manera similar a reactores reales pero son más seguros de trabajar y mucho más fáciles de controlar. Usaron un acelerador de iones de 6 megavoltios para simular años de exposición a neutrones en horas.

El nuevo sistema instalado y probado en Sandia National Labs | Crédito de imagen: Cody Dennett

Las mediciones se realizan simulando vibraciones del material usando un haz láser y luego observando esas vibraciones en la superficie usando otro láser. Esta medición también puede usarse para determinar otras propiedades relacionadas, como acumulación de daño y defectos en un material dado.

Dado que el sistema monitorea materiales en tiempo real, es posible detener el experimento en cualquier momento crítico y estudiar el daño(s) en detalle. Esto también permite a los ingenieros identificar las razones mecanicistas detrás de esos fallos.

Los métodos tradicionales tardan meses en encontrar el factor inicial que desencadenó la degradación. El nuevo sistema, por otro lado, podría hacer lo mismo en unas pocas horas. Según el informe, la caracterización completa de un material dado toma solo un día, mientras que las técnicas existentes tardan casi medio año.

¿Qué sigue?

Hasta ahora, los investigadores han probado su sistema en dos metales puros: tungsteno y níquel. En los próximos meses, lo usarán para probar otros metales y varios tipos de aleaciones.

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El equipo también está trabajando para mejorar aún más las capacidades del sistema y añadir más herramientas de diagnóstico para investigar más propiedades de materiales expuestos a radiación.