Kredit:CC0 Public Domain
Det var bara en skräp som satt på baksidan av ett labb vid MITs kärnreaktoranläggning, redo att kasseras. Men det blev nyckeln till att demonstrera ett mer heltäckande sätt att upptäcka strukturella skador på atomnivå i material – ett tillvägagångssätt som kommer att hjälpa utvecklingen av nya material och potentiellt skulle kunna stödja den pågående driften av koldioxidfria kärnkraftverk, vilket skulle bidra till att lindra de globala klimatförändringarna.
En liten titanmutter som hade tagits bort från insidan av reaktorn var precis den typ av material som behövdes för att bevisa att denna nya teknik, utvecklad vid MIT och andra institutioner, ger ett sätt att undersöka defekter som skapats inuti material, inklusive de som har exponerats för strålning, med fem gånger större känslighet än befintliga metoder.
Det nya tillvägagångssättet avslöjade att mycket av skadorna som sker inuti reaktorer är på atomär skala, och som ett resultat är det svårt att upptäcka med befintliga metoder. Tekniken ger ett sätt att direkt mäta denna skada genom hur den förändras med temperaturen. Och det skulle kunna användas för att mäta prover från den nuvarande flottan av kärnreaktorer, vilket potentiellt möjliggör fortsatt säker drift av anläggningar långt utöver deras nuvarande licensierade livslängder.
Fynden rapporteras i tidskriften Science Advances i en artikel av MIT-forskningsspecialisten och nyutexaminerade Charles Hirst Ph.D. '22; MIT-professorerna Michael Short, Scott Kemp och Ju Li; och fem andra vid Helsingfors universitet, Idaho National Laboratory och University of California i Irvine.
Istället för att direkt observera den fysiska strukturen av ett material i fråga, tittar det nya tillvägagångssättet på mängden energi som lagras i den strukturen. Varje störning av den ordnade strukturen av atomer i materialet, såsom den som orsakas av exponering för strålning eller av mekaniska påfrestningar, ger faktiskt överskottsenergi till materialet. Genom att observera och kvantifiera den energiskillnaden är det möjligt att beräkna den totala mängden skada i materialet – även om skadan är i form av atomskaliga defekter som är för små för att avbildas med mikroskop eller andra detektionsmetoder.
Principen bakom denna metod hade utarbetats i detalj genom beräkningar och simuleringar. Men det var de faktiska testerna på den där ena titanmuttern från MIT-kärnreaktorn som gav beviset – och därmed öppnade dörren till ett nytt sätt att mäta skador i material.
Metoden de använde kallas differential scanning kalorimetri. Som Hirst förklarar liknar detta i princip de kalorimetriexperiment många elever genomför i gymnasiets kemiklasser, där de mäter hur mycket energi som krävs för att höja temperaturen på ett gram vatten med en grad. Systemet som forskarna använde var "i grund och botten exakt samma sak, att mäta energiska förändringar. ... Jag gillar att kalla det bara en fancy ugn med ett termoelement inuti."
Skanningsdelen har att göra med att gradvis höja temperaturen lite i taget och se hur provet reagerar, och differentialdelen hänvisar till att två identiska kammare mäts samtidigt, en tom och en som innehåller provet som studeras . Skillnaden mellan de två avslöjar detaljer om energin i provet, förklarar Hirst.
"Vi höjer temperaturen från rumstemperatur upp till 600 grader Celsius, med en konstant hastighet av 50 grader per minut", säger han. Jämfört med det tomma kärlet kommer ditt material naturligt att släpa efter eftersom du behöver energi för att värma upp ditt material. Men om det sker förändringar i energin inuti materialet kommer det att ändra temperaturen. I vårt fall skedde en energifrisättning när defekterna kombineras igen, och då kommer det att få ett litet försprång på ugnen ... och det är så vi mäter energin i vårt prov."
Hirst, som utförde arbetet under en femårsperiod som sitt doktorsavhandlingsprojekt, fann att i motsats till vad man trodde visade det bestrålade materialet att det fanns två olika mekanismer inblandade i att mildra defekter i titan vid de studerade temperaturerna , avslöjas av två separata toppar i kalorimetri. "Istället för att en process inträffade såg vi tydligt två, och var och en av dem motsvarar en annan reaktion som sker i materialet", säger han.
De fann också att läroboksförklaringar om hur strålningsskador beter sig med temperatur inte var korrekta, eftersom tidigare tester mestadels hade utförts vid extremt låga temperaturer och sedan extrapolerats till de högre temperaturerna för verkliga reaktordrifter. "Folk var inte nödvändigtvis medvetna om att de extrapolerade, även om de var det helt", säger Hirst.
"Faktum är att vår gemensamma kunskapsbas för hur strålskador utvecklas är baserad på elektronstrålning med extremt låg temperatur", tillägger Short. "Det blev bara den accepterade modellen, och det är vad som lärs ut i alla böcker. Det tog oss ett tag att inse att vår allmänna förståelse baserades på ett mycket specifikt tillstånd, utformat för att belysa vetenskapen, men i allmänhet inte tillämpligt på förhållanden där vi faktiskt vill använda dessa material."
Nu kan den nya metoden tillämpas "på material som plockats från befintliga reaktorer, för att lära dig mer om hur de försämras under drift", säger Hirst.
"Det enskilt största som världen kan göra för att få billig, kolfri kraft är att behålla nuvarande reaktorer på nätet. De är redan betalt för, de arbetar", tillägger Short. Men för att göra det möjligt, "det enda sättet vi kan behålla dem på nätet är att ha mer säkerhet att de kommer att fortsätta att fungera bra." Och det är där detta nya sätt att bedöma skador kommer in i bilden.
Medan de flesta kärnkraftverk har licensierats för 40 till 60 års drift, "vi pratar nu om att driva samma tillgångar till 100 år, och det beror nästan helt på att materialet kan motstå de allvarligaste olyckorna." säger Short. Med den här nya metoden "kan vi inspektera dem och ta ut dem innan något oväntat händer."
I praktiken kunde anläggningsoperatörer ta bort ett litet prov av material från kritiska områden i reaktorn och analysera det för att få en mer komplett bild av tillståndet i den övergripande reaktorn. Att hålla befintliga reaktorer igång är "det enskilt största vi kan göra för att hålla andelen kolfri kraft hög", betonar Short. "Det här är ett sätt vi tror att vi kan göra det på."
Processen är inte bara begränsad till studier av metaller, och den är inte heller begränsad till skador orsakade av strålning, säger forskarna. Metoden skulle i princip kunna användas för att mäta andra typer av defekter i material, till exempel de som orsakas av spänningar eller stötvågor, och den skulle även kunna tillämpas på material som keramik eller halvledare.
Faktum är att, säger Short, metaller är de svåraste materialen att mäta med den här metoden, och tidigt fortsatte andra forskare att fråga varför detta team fokuserade på skador på metaller. Det berodde delvis på att reaktorkomponenter tenderar att vara gjorda av metall, och också för att "Det är det svåraste, så om vi löser det här problemet har vi ett verktyg för att knäcka dem alla!"
Att mäta defekter i andra typer av material kan vara upp till 10 000 gånger lättare än i metaller, säger han. "Om vi kan göra det här med metaller kan vi göra detta extremt, allestädes närvarande." Och allt möjliggjordes av en liten skräpbit som satt längst bak i ett labb.
I forskargruppen ingick Fredric Granberg och Kai Nordlund vid Helsingfors universitet i Finland; Boopathy Kombaiah och Scott Middlemas vid Idaho National Laboratory; och Penghui Cao vid University of California i Irvine. + Utforska vidare
