Ερευνητές του MIT ανέπτυξαν μια τεχνική που επιτρέπει στους επιστήμονες να παρακολουθούν, σε πραγματικό χρόνο, πώς τα υλικά διαβρώνονται και ραγίζουν μέσα σε ένα περιβάλλον πυρηνικού αντιδραστήρα.
Προς ασφαλέστερους αντιδραστήρες
Η μέθοδος, που τροφοδοτείται από ακτίνες Χ υψηλής έντασης, θα μπορούσε να βοηθήσει τους μηχανικούς να σχεδιάσουν ασφαλέστερους αντιδραστήρες που διαρκούν περισσότερο και αποδίδουν καλύτερα.
Η μελέτη του τρόπου με τον οποίο τα υλικά αποτυγχάνουν υπό ακτινοβολία αποτελεί εδώ και καιρό πρόκληση για τους επιστήμονες. Παραδοσιακά, οι ερευνητές μπορούσαν να εξετάσουν δείγματα μόνο αφού τα αφαίρεσαν από σκληρά περιβάλλοντα. Ο Ericmoore Jossou, ο οποίος κατέχει θέσεις στο Τμήμα Πυρηνικής Επιστήμης και Μηχανικής του MIT και στο Schwarzman College of Computing, δήλωσε ότι η νέα προσέγγιση το αλλάζει αυτό.
«Μας ενδιαφέρει να παρακολουθούμε τη διαδικασία καθώς συμβαίνει. Αν μπορούμε να το κάνουμε αυτό, μπορούμε να παρακολουθήσουμε το υλικό από την αρχή μέχρι το τέλος και να δούμε πότε και πώς αποτυγχάνει. Αυτό μας βοηθά να κατανοήσουμε ένα υλικό πολύ καλύτερα», είπε.
Παρακολουθώντας την αποτυχία καθώς συμβαίνει
Η ομάδα προσομοίωσε τις συνθήκες του αντιδραστήρα εκτοξεύοντας μια έντονη, εστιασμένη δέσμη ακτίνων Χ σε δείγματα νικελίου, ένα μέταλλο που χρησιμοποιείται σε κράματα μέσα σε προηγμένους αντιδραστήρες. Η πρόκληση έγκειται στην προετοιμασία των δειγμάτων.
Καθώς το νικέλιο θερμαινόταν, αντέδρασε με τη βάση του πυριτίου, δημιουργώντας μια ένωση που εκτροχίασε το πείραμα. Οι ερευνητές έλυσαν το πρόβλημα εισάγοντας ένα λεπτό ρυθμιστικό διάλυμα διοξειδίου του πυριτίου μεταξύ του νικελίου και του υποστρώματος.
Αυτό απέτρεψε ανεπιθύμητες αντιδράσεις, αλλά αρχικά δημιούργησε μια νέα τάση μέσα στους κρυστάλλους. Οι αλγόριθμοι ανάκτησης φάσης, που χρησιμοποιούνται συνήθως για την ανακατασκευή τρισδιάστατων κρυσταλλικών σχημάτων, δεν μπορούσαν να χειριστούν την υπερβολική τάση.
Έπειτα ήρθε μια έκπληξη. Αφήνοντας τη δέσμη ακτίνων Χ για μεγαλύτερο χρονικό διάστημα, σταδιακά χαλάρωσε την τάση που οφειλόταν στο ρυθμιστικό στρώμα. Οι κρύσταλλοι σταθεροποιήθηκαν, επιτρέποντας στους αλγόριθμους να καταγράψουν την τρισδιάστατη δομή τους κατά τη διάρκεια της βλάβης.
«Κανείς δεν είχε καταφέρει να το κάνει αυτό πριν», είπε ο Jossou. «Τώρα που μπορούμε να κατασκευάσουμε αυτόν τον κρύσταλλο, μπορούμε να απεικονίσουμε ηλεκτροχημικές διεργασίες όπως η διάβρωση σε πραγματικό χρόνο, παρακολουθώντας τον κρύσταλλο να καταρρέει σε τρισδιάστατη μορφή υπό συνθήκες που είναι πολύ παρόμοιες με αυτές μέσα σε έναν πυρηνικό αντιδραστήρα. Αυτό έχει εκτεταμένες επιπτώσεις».
Η πρόοδος θα μπορούσε να μεταμορφώσει την πυρηνική μηχανική. «Αν μπορούμε να βελτιώσουμε τα υλικά για έναν πυρηνικό αντιδραστήρα, αυτό σημαίνει ότι μπορούμε να παρατείνουμε τη διάρκεια ζωής αυτού του αντιδραστήρα. Σημαίνει επίσης ότι τα υλικά θα χρειαστούν περισσότερο χρόνο για να αποτύχουν, επομένως μπορούμε να αξιοποιήσουμε περισσότερο έναν πυρηνικό αντιδραστήρα από ό,τι τώρα», δήλωσε ο Jossou.
Ο David Simonne, επικεφαλής συγγραφέας και μεταδιδακτορικός στο MIT, δήλωσε ότι η νέα προσέγγιση απεικόνισης προσφέρει ανάλυση νανοκλίμακας.
«Μόνο με αυτήν την τεχνική μπορούμε να μετρήσουμε την παραμόρφωση με ανάλυση νανοκλίμακας κατά τη διάρκεια διεργασιών διάβρωσης», είπε. «Στόχος μας είναι να φέρουμε τέτοιες καινοτόμες ιδέες στην κοινότητα της πυρηνικής επιστήμης, χρησιμοποιώντας συγχρότρονα τόσο ως ανιχνευτή ακτίνων Χ όσο και ως πηγή ακτινοβολίας».
Πέρα από τους πυρηνικούς αντιδραστήρες
Η εργασία παρήγαγε επίσης ένα απροσδόκητο όφελος. Η ομάδα ανακάλυψε ότι μπορούσε να συντονίσει την παραμόρφωση μέσα σε έναν κρύσταλλο χρησιμοποιώντας ακτίνες Χ. Αυτό έχει επιπτώσεις στη μικροηλεκτρονική, όπου η μηχανική παραμόρφωσης ενισχύει την ηλεκτρική και οπτική απόδοση.
«Με την τεχνική μας, οι μηχανικοί μπορούν να χρησιμοποιήσουν ακτίνες Χ για να ρυθμίσουν την παραμόρφωση στα μικροηλεκτρονικά κατά την κατασκευή τους. Ενώ αυτός δεν ήταν ο στόχος μας με αυτά τα πειράματα, είναι σαν να παίρνουμε δύο αποτελέσματα στην τιμή του ενός», δήλωσε ο Jossou.
Κοιτάζοντας μπροστά, οι ερευνητές σχεδιάζουν να εφαρμόσουν τη μέθοδο σε πιο σύνθετα κράματα που χρησιμοποιούνται σε πυρηνικά και αεροδιαστημικά συστήματα. Στόχος τους είναι επίσης να ελέγξουν πώς τα διαφορετικά πάχη των buffer επηρεάζουν τον έλεγχο της παραμόρφωσης.
Ο Edwin Fohtung, αναπληρωτής καθηγητής στο Πολυτεχνικό Ινστιτούτο Rensselaer, δήλωσε ότι η ανακάλυψη ξεχωρίζει για δύο λόγους. «Πρώτον, παρέχει θεμελιώδεις πληροφορίες για το πώς τα νανοκλίμακα υλικά αντιδρούν στην ακτινοβολία - ένα ζήτημα αυξανόμενης σημασίας για τις ενεργειακές τεχνολογίες, τη μικροηλεκτρονική και τα κβαντικά υλικά. Δεύτερον, υπογραμμίζει τον κρίσιμο ρόλο του υποστρώματος στη χαλάρωση της τάσης, δείχνοντας ότι η επιφάνεια στήριξης μπορεί να καθορίσει εάν τα σωματίδια διατηρούν ή απελευθερώνουν τάση όταν εκτίθενται σε εστιασμένες δέσμες ακτίνων Χ».
www.worldenergynews.gr
