Strålning försämrar nästan alltid det material som utsätts för det, påskyndar deras försämring och kräver byte av nyckelkomponenter i miljöer med hög strålning, till exempel kärnreaktorer. Men för vissa legeringar som kan användas i klyvnings- eller fusionsreaktorer, det motsatta visar sig vara sant:Forskare vid MIT och i Kalifornien har nu funnit att istället för att påskynda materialets nedbrytning, strålning förbättrar faktiskt dess motstånd, eventuellt fördubbla materialets livslängd.

Fyndet kan vara en välsignelse för några nya, banbrytande reaktordesign, inklusive smält-saltkylda klyvningsreaktorer, och nya fusionsreaktorer som ARC -designen som utvecklas av MIT och Commonwealth Fusion Systems.

Fyndet, vilket kom som en överraskning för kärnvetare, rapporteras idag i tidningen Naturkommunikation , i en uppsats av MIT -professor i kärnvetenskap och teknik Michael Short, doktorand Weiyue Zhou, och fem andra på MIT och vid Lawrence Berkeley National Laboratory.

Short säger att fyndet var lite serendipitet; faktiskt, forskarna ville kvantifiera den motsatta effekten. Inledningsvis ville de bestämma hur mycket strålning som skulle öka korrosionshastigheten i vissa legeringar av nickel och krom som kan användas som beklädnad för kärnbränslepatroner.

Experimenten var svåra att genomföra, eftersom det är omöjligt att mäta temperaturer direkt vid gränsytan mellan det smälta saltet, används som kylvätska, och metallegeringsytan. Således var det nödvändigt att räkna ut förhållandena indirekt genom att omge materialet med ett batteri av sensorer. Redan från början, fastän, testerna visade tecken på motsatt effekt - korrosion, huvudorsaken till materialfel i den hårda miljön i ett reaktorkärl, verkade vara reducerad snarare än accelererad när den badades i strålning, i detta fall ett högt flöde av protoner.

"Vi upprepade det dussintals gånger, med olika förutsättningar, "Short säger, "och varje gång fick vi samma resultat" som visar fördröjd korrosion.

Den typ av reaktormiljö som teamet simulerade i sina experiment innebär användning av smält natrium, litium, och kaliumsalt som kylmedel för både kärnbränslestavarna i en klyvningsreaktor och vakuumkärlet som omger en superhot, virvlande plasma i en framtida fusionsreaktor. Där det heta smälta saltet är i kontakt med metallen, korrosion kan ske snabbt, men med dessa nickel-kromlegeringar fann de att korrosionen tog dubbelt så lång tid att utvecklas när materialet badades i strålning från en protonaccelerator, producerar en strålningsmiljö som liknar vad som skulle hittas i de föreslagna reaktorerna.

Att mer exakt kunna förutsäga användbar livslängd för kritiska reaktorkomponenter kan minska behovet av förebyggande, tidigt byte av delar, Säger Short.

Noggrann analys av bilder av de drabbade legeringsytorna med transmissionselektronmikroskopi, efter bestrålning av metallen i kontakt med smält salt vid 650 grader Celsius, (en typisk arbetstemperatur för salt i sådana reaktorer), hjälpte till att avslöja mekanismen som orsakar den oväntade effekten. Strålningen tenderar att skapa mer små defekter i legeringens struktur, och dessa defekter gör att metallens atomer lättare kan diffundera, rinner in för att snabbt fylla tomrummen som skapas av det frätande saltet. I själva verket, strålningsskadorna främjar en slags självläkande mekanism i metallen.

Det fanns antydningar om en sådan effekt för ett halvt sekel sedan, när experiment med en tidig experimentell saltkyld fissionsreaktor visade lägre än väntat korrosion i dess material, men orsakerna till det hade förblivit ett mysterium tills detta nya verk, Säger Short. Även efter teamets första experimentella fynd, Short säger, "Det tog oss mycket längre tid att förstå det."

Upptäckten kan vara relevant för en mängd föreslagna nya konstruktioner för reaktorer som kan vara säkrare och effektivare än befintliga konstruktioner, Säger Short. Flera konstruktioner för saltkylda klyvningsreaktorer har föreslagits, inklusive en av ett team under ledning av Charles Forsberg, en huvudforskare vid MIT:s institution för kärnvetenskap och teknik. Resultaten kan också vara användbara för flera föreslagna konstruktioner för nya typer av fusionsreaktorer som aktivt drivs av startföretag, som har potential att tillhandahålla el utan utsläpp av växthusgaser och mycket mindre radioaktivt avfall.

"Det är inte speciellt för någon design, "Säger Short." Det hjälper alla. "

Denna artikel publiceras på nytt med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT -forskning, innovation och undervisning.