El nuevo sistema basado en láser puede monitorear continuamente los daños por radiación en los materiales

• Un nuevo sistema basado en espectroscopía de rejilla transitoria detecta cambios inducidos por radiación en los materiales en tiempo real.
• En comparación con las técnicas existentes que demoran medio año en caracterizar completamente un material determinado, solo toma un día.

Los entornos de alta radiación, como los que se encuentran en los núcleos de las centrales nucleares, requieren materiales de muy alta calidad. La microestructura y, por tanto, el rendimiento de estos materiales en las instalaciones de energía nuclear cambian drásticamente a lo largo de los años de funcionamiento.

La mayoría de los materiales fallan debido a una mayor precipitación, hinchamiento volumétrico, disolución de inclusión balística, agrietamiento por corrosión bajo tensión asistida por irradiación y segregación mejorada.

Los métodos existentes para probar la capacidad del material para resistir entornos tan duros no son muy efectivos. Se basan en el enfoque de "cocinar y mirar", en el que los materiales están sujetos a entornos de alta radiación y luego se retiran para una inspección más detallada. Sin embargo, el proceso requiere tanto tiempo que retrasa el desarrollo de materiales avanzados para nuevos reactores.

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

Dado que numerosas instalaciones nucleares se acercan al final de su vida útil operativa, la tecnología podría ayudar a decidir qué plantas nucleares se pueden extender de forma segura en cuánto.

La nueva forma de probar materiales

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

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

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

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

Para replicar los entornos de radiación, los investigadores simularon los efectos del bombardeo de neutrones utilizando haces de iones, que dañan el material de manera similar a los reactores reales, pero es más seguro trabajar con ellos y mucho más fáciles de controlar. Utilizaron 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 la imagen:Cody Dennett

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

Dado que el sistema monitorea los materiales en tiempo real, es posible detener el experimento en cualquier momento crítico y estudiar los daños en detalle. Esto también permite a los ingenieros identificar las razones mecánicas detrás de esas fallas.

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 determinado toma solo un día, mientras que las técnicas existentes demoran 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 agregar más herramientas de diagnóstico para investigar más propiedades de los materiales expuestos a la radiación.