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May 18, 2023

Eine bessere Möglichkeit, Strahlenschäden an Materialien zu quantifizieren

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Es war nur ein Stück Müll, das im hinteren Teil eines Labors der MIT-Kernreaktoranlage lag und zur Entsorgung bereitstand. Aber es wurde zum Schlüssel zur Demonstration einer umfassenderen Methode zur Erkennung von Strukturschäden auf atomarer Ebene in Materialien – ein Ansatz, der die Entwicklung neuer Materialien unterstützen wird und möglicherweise den laufenden Betrieb von Kernkraftwerken ohne Kohlenstoffemissionen unterstützen könnte würde dazu beitragen, den globalen Klimawandel abzumildern.

Eine winzige Titanmutter, die aus dem Inneren des Reaktors entfernt worden war, war genau das Material, das man brauchte, um zu beweisen, dass diese neue Technik, die am MIT und an anderen Institutionen entwickelt wurde, eine Möglichkeit bietet, Defekte zu untersuchen, die im Inneren von Materialien entstanden sind, einschließlich solcher, die freigelegt wurden gegenüber Strahlung, mit einer fünfmal höheren Empfindlichkeit als bestehende Methoden.

Der neue Ansatz zeigte, dass ein Großteil der Schäden, die in Reaktoren auftreten, auf atomarer Ebene liegt und daher mit bestehenden Methoden nur schwer zu erkennen ist. Die Technik bietet eine Möglichkeit, diesen Schaden anhand der Art und Weise, wie er sich mit der Temperatur ändert, direkt zu messen. Und es könnte verwendet werden, um Proben aus der derzeit in Betrieb befindlichen Kernreaktorflotte zu messen, was möglicherweise den weiteren sicheren Betrieb von Anlagen weit über ihre derzeit genehmigte Lebensdauer hinaus ermöglicht.

Die Ergebnisse werden heute in der Zeitschrift Science Advances in einem Artikel des MIT-Forschungsspezialisten und jüngsten Absolventen Charles Hirst PhD '22 veröffentlicht; MIT-Professoren Michael Short, Scott Kemp und Ju Li; und fünf weitere an der Universität Helsinki, dem Idaho National Laboratory und der University of California in Irvine.

Anstatt die physikalische Struktur eines betreffenden Materials direkt zu beobachten, untersucht der neue Ansatz die in dieser Struktur gespeicherte Energiemenge. Jede Störung der geordneten Struktur der Atome im Material, beispielsweise durch Strahlungseinwirkung oder mechanische Beanspruchung, überträgt tatsächlich überschüssige Energie auf das Material. Durch Beobachtung und Quantifizierung dieser Energiedifferenz ist es möglich, die Gesamtmenge der Schäden im Material zu berechnen – selbst wenn diese Schäden in Form von Defekten im atomaren Maßstab vorliegen, die zu klein sind, um mit Mikroskopen oder anderen Nachweismethoden abgebildet zu werden.

Das Prinzip dieser Methode wurde durch Berechnungen und Simulationen detailliert herausgearbeitet. Aber es waren die tatsächlichen Tests an dieser einen Titanmutter aus dem MIT-Kernreaktor, die den Beweis erbrachten – und damit die Tür zu einer neuen Methode zur Messung von Materialschäden öffneten.

Die von ihnen verwendete Methode heißt Differentialscanningkalorimetrie. Wie Hirst erklärt, ähnelt dies im Prinzip den Kalorimetrieexperimenten, die viele Schüler im Chemieunterricht an Oberstufen durchführen und bei denen sie messen, wie viel Energie nötig ist, um die Temperatur eines Gramms Wasser um ein Grad zu erhöhen. Das von den Forschern verwendete System war „im Grunde genau das Gleiche, nämlich die Messung energetischer Veränderungen. … Ich nenne es einfach einen schicken Ofen mit einem Thermoelement darin.“

Beim Scan-Teil geht es darum, die Temperatur schrittweise schrittweise zu erhöhen und zu beobachten, wie die Probe reagiert. Der Differential-Teil bezieht sich auf die Tatsache, dass zwei identische Kammern gleichzeitig gemessen werden, eine leer und eine mit der zu untersuchenden Probe . Der Unterschied zwischen den beiden verrät Details über die Energie der Probe, erklärt Hirst.

„Wir erhöhen die Temperatur von Raumtemperatur auf bis zu 600 Grad Celsius, mit einer konstanten Geschwindigkeit von 50 Grad pro Minute“, sagt er. Im Vergleich zum leeren Gefäß „hinkt Ihr Material natürlich hinterher, weil Sie Energie benötigen, um Ihr Material zu erhitzen.“ Wenn sich jedoch die Energie im Inneren des Materials ändert, ändert sich dadurch auch die Temperatur. In unserem Fall kam es zu einer Energiefreisetzung, wenn die Defekte rekombinierten, und dann verschafft es dem Ofen einen kleinen Vorsprung … und so messen wir die Energie in unserer Probe.“

Hirst, der die Arbeit über einen Zeitraum von fünf Jahren als Doktorarbeitsprojekt durchführte, stellte fest, dass das bestrahlte Material im Gegensatz zu dem, was angenommen wurde, zwei verschiedene Mechanismen zeigte, die bei der Entspannung von Defekten im Titan bei den untersuchten Temperaturen beteiligt waren , erkennbar an zwei getrennten Peaks in der Kalorimetrie. „Statt eines Prozesses sahen wir deutlich zwei, und jeder von ihnen entspricht einer anderen Reaktion, die im Material stattfindet“, sagt er.

Sie fanden auch heraus, dass Lehrbucherklärungen zum Verhalten von Strahlungsschäden mit der Temperatur nicht korrekt waren, da frühere Tests größtenteils bei extrem niedrigen Temperaturen durchgeführt und dann auf die höheren Temperaturen des realen Reaktorbetriebs hochgerechnet wurden. „Die Leute waren sich nicht unbedingt bewusst, dass sie extrapolierten, obwohl sie es vollständig waren“, sagt Hirst.

„Tatsache ist, dass unser allgemeines Wissen über die Entstehung von Strahlenschäden auf Elektronenstrahlung extrem niedriger Temperatur basiert“, fügt Short hinzu. „Es wurde einfach zum akzeptierten Modell, und das wird in allen Büchern gelehrt. Es dauerte eine Weile, bis uns klar wurde, dass unser allgemeines Verständnis auf einer sehr spezifischen Bedingung beruhte, die der Aufklärung der Wissenschaft dienen sollte, aber im Allgemeinen nicht auf Bedingungen anwendbar war, unter denen wir diese Materialien tatsächlich verwenden möchten.“

Jetzt kann die neue Methode „auf Materialien angewendet werden, die aus bestehenden Reaktoren entnommen werden, um mehr darüber zu erfahren, wie sie sich im Betrieb zersetzen“, sagt Hirst.

„Das Größte, was die Welt tun kann, um billigen, kohlenstofffreien Strom zu erhalten, besteht darin, die aktuellen Reaktoren am Netz zu halten. Sie sind bereits bezahlt, sie arbeiten“, fügt Short hinzu. Aber um dies zu ermöglichen, „können wir sie nur dann am Netz halten, wenn wir mehr Gewissheit haben, dass sie weiterhin gut funktionieren.“ Und hier kommt diese neue Art der Schadensbeurteilung ins Spiel.

Während die meisten Kernkraftwerke für eine Betriebsdauer von 40 bis 60 Jahren genehmigt wurden, „reden wir jetzt davon, dieselben Anlagen auf 100 Jahre laufen zu lassen, und das hängt fast vollständig davon ab, dass die Materialien den schwersten Unfällen standhalten.“ Kurz sagt. Mit dieser neuen Methode „können wir sie inspizieren und herausnehmen, bevor etwas Unerwartetes passiert.“

In der Praxis könnten Anlagenbetreiber eine winzige Materialprobe aus kritischen Bereichen des Reaktors entnehmen und diese analysieren, um ein vollständigeres Bild vom Zustand des gesamten Reaktors zu erhalten. Bestehende Reaktoren am Laufen zu halten ist „das Größte, was wir tun können, um den Anteil kohlenstofffreier Energie hoch zu halten“, betont Short. „Das ist unserer Meinung nach eine Möglichkeit, das zu erreichen.“

Sergei Dudarev, ein Mitarbeiter der britischen Atomenergiebehörde, der nicht an dieser Arbeit beteiligt war, sagt, dass dies „wahrscheinlich von großer Bedeutung sein wird, da es auf schöne systematische Weise, unterstützt durch Experimente und Simulationen, das unerwartet Bedeutsame bestätigt.“ Die kleinen unsichtbaren Defekte in der mikrostrukturellen Entwicklung von Materialien, die der Strahlung ausgesetzt sind, spielen eine Rolle.“

Der Prozess beschränkt sich nicht nur auf die Untersuchung von Metallen und beschränkt sich auch nicht auf Schäden, die durch Strahlung verursacht werden, sagen die Forscher. Prinzipiell könnte die Methode zur Messung anderer Arten von Defekten in Materialien verwendet werden, etwa solche, die durch Spannungen oder Stoßwellen verursacht werden, und sie könnte auch auf Materialien wie Keramik oder Halbleiter angewendet werden.

Tatsächlich, so Short, seien Metalle die Materialien, die mit dieser Methode am schwierigsten zu messen seien, und schon früh fragten andere Forscher immer wieder, warum sich dieses Team auf Schäden an Metallen konzentrierte. Das lag zum Teil daran, dass Reaktorkomponenten in der Regel aus Metall bestehen, und auch daran, dass „es am schwierigsten ist. Wenn wir also dieses Problem lösen, haben wir ein Werkzeug, mit dem wir sie alle knacken können!“

Die Messung von Fehlern in anderen Materialien könne bis zu 10.000-mal einfacher sein als in Metallen, sagt er. „Wenn uns das mit Metallen gelingt, können wir es extrem und allgegenwärtig anwendbar machen.“ Und das alles wurde durch ein kleines Stück Müll ermöglicht, das hinten im Labor lag.

Zum Forschungsteam gehörten Fredric Granberg und Kai Nordlund von der Universität Helsinki in Finnland; Boopathie Kombaiah und Scott Middlemas am Idaho National Laboratory; und Penghui Cao an der University of California in Irvine. Die Arbeit wurde von der US National Science Foundation, einem Forschungsstipendium des Idaho National Laboratory und einem Stipendium des Euratom Research and Training Program unterstützt.

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