När accelererade neutroner eller joner bombarderar ett material genomgår dess ytskikt dramatiska fysikaliska och kemiska omvandlingar. National Center for Nuclear Research i Swierk, Polen, har lyckats lära sig i detalj om de processer som sker i sådana situationer i polymerer. Den insamlade kunskapen användes av fysiker för att skapa en metod för att producera supertätningar, de föreslog också ett enkelt och snabbt sätt att upptäcka farliga kablar vars polymerisolering börjar förlora sina isolerande egenskaper.

Säker och tillförlitlig drift av kärnreaktorer, och i framtiden även fusionsreaktorer, beror strikt på kvaliteten på deras kablage. Forskning utförd vid National Center for Nuclear Research (NCBJ) i Świerk, Polen, visar dock att polymerkabelisolering, som utsätts för höga doser av strålning i årtionden, gradvis förlorar sina isolerande egenskaper. En grupp fysiker från NCBJ, ledd av Prof. Jacek Jagielski, fick inte bara lära känna detaljerna i denna process, utan föreslog också en lättanvänd teknik för att upptäcka farliga kablar.

Prof. Jagielskis team har under lång tid arbetat med frågor relaterade till modifiering av ytskiktet av material med jonstrålar. För några år sedan uppmärksammades forskarna på polymertätningar. Ett av de polska företagen hade problem vid den tiden på grund av tätningarna i den tillverkade militärutrustningen. Maskinerna exporterades till ett land med tropiskt och regnigt klimat. Tätningarna i motorer, i Polen som fungerade utan större problem, började överhettas och läcka under de nya förhållandena. Samtidigt tvingade kontraktet tillverkaren att byta ut hela den defekta kraftenheten på grund av en packning.

Överhettning av packningar som används i rörliga mekanismer är en följd av den höga friktionskoefficienten hos polymererna som de vanligtvis är tillverkade av. Prof. Jagielskis grupp bestämde sig för att kontrollera om jonbestrålning påverkar friktionskoefficienten. Det visade sig att ett tunt ytskikt av polymer, cirka en mikrometer tjockt, hårdnar avsevärt till följd av bombardement. Dess friktionskoefficient minskade till och med tio gånger – och detta trots att den snabbt täckte med ett nätverk av sprickor.

En betydande minskning av värdet på friktionskoefficienten för polymerpackningar innebär i praktiken en minskning av slitaget på mekaniska element. Mekanismer utrustade med modifierade packningar kommer därför att fungera inte bara längre utan också mer effektivt, särskilt eftersom ytsprickorna kan användas som behållare för smörjmedel. I vissa fall, såsom pneumatiska ställdon, kan maskinen arbeta snabbare, vilket leder till ökad produktivitet.

"Under forskningen om packningar märkte vi att de elektriska egenskaperna hos polymerer började förändras på grund av strålningsdefekter", säger Prof. Jagielski. "Så det verkade naturligt att ställa en annan fråga:vad händer med isoleringen av kablar som utsätts för strålning, om deras isolering också är gjord av polymerer?"

Frågan kan tyckas nisch, men den får en annan innebörd i en tid då kärnkraftens effektivitet och säkerhet börjar bli uppskattad igen. Moderna kärnkraftverk är utformade med minst 60 års drift i åtanke, allt oftare med möjlighet att förlänga upp till hundra. Samtidigt måste varje reaktor utrustas med flera tusen kilometer mindre och större kablar. Några av dem kommer att utsättas för neutronbombardement som släpps ut under kärnreaktioner i årtionden. I denna situation blir frågan om ödet för de polymerer som garanterar deras isolering en fråga om energisäkerheten för miljontals människor.

I kärnreaktorer utsätts material för neutroner och gammastrålning. Den överväldigande majoriteten av defekterna i det bestrålade materialet orsakas dock inte direkt av neutroner eller fotoner, utan av de atomer som de slår ut eller de brutna atombindningarna. I praktiken skiljer sig därför materialdefekter orsakade av neutroner inte väsentligt från de som initieras av joner. Istället för att utföra besvärlig forskning i reaktorn kunde NCBJ-teamet använda en prototyp av industriell jonimplantator av sin egen design.

Sådana isoleringsmaterial som polyvinylklorid (PVC), teflon (PTFE) och olika typer av gummi (naturligt, EPDM, NBR, SBR) bestrålades. Forskare var intresserade av den kemiska sammansättningen av det modifierade ytskiktet, dess fysiska struktur och yttopografi. Resultaten av mätningarna och deras slutsatser har precis presenterats i en omfattande artikel publicerad i Journal of Applied Physics .

"Polymerer består huvudsakligen av kol och väte", förklarar Anna Kosińska, den första författaren till den ovan nämnda artikeln, Ph.D. studerande. "Bindningarna mellan dessa grundämnen är bland de svagaste och de bryts vid bombardemang med snabba joner. Den frigjorda väteatomen fångar upp sin kollega från miljön och i molekylär form flyr den från materialet till miljön. Det som finns kvar är amorft kol liknar adamantit, som kan leda elektricitet. Allt detta tillsammans gör att polymerisoleringen av kablar som utsätts för strålning kommer att förlora sina isolerande egenskaper med tiden."

NCBJ-fysikers uppmärksamhet uppmärksammades på det faktum att ytskiktet av polymeren börjar krympa på grund av frigörandet av väte. Som ett resultat blir det tätare än originalet och upp till tio gånger hårdare än originalet. Noggrann forskning har visat att det finns ett tydligt samband mellan förändringarna i de mekaniska egenskaperna hos kabelisoleringen och dess elektriska resistans. För att ta reda på om isoleringen fungerar som den ska räcker det att mäta hårdheten på kabelisoleringen med en handhållen hårdhetstestare.

"Vi inser att metoden vi föreslår för att upptäcka förändringar i den elektriska resistansen hos polymerisoleringar inte är helt exakt. Den har dock mycket betydande funktionella fördelar:den är enkel, snabb och låter dig nästan omedelbart avgöra om den testade kabeln blir farlig. ", säger prof. Jagielski. + Utforska vidare

Forskare upptäcker mekanismen bakom påverkan av strålningsdefekter på tritiumpermeationsbarriären