Kärnkraft är en viktig komponent i vår nations långsiktiga framtid för ren energi, men tekniken har blivit allt mer granskad efter Japans senaste Fukushima -katastrof. Verkligen, många nationer har krävt kontroller och "stresstester" för att säkerställa att kärnkraftverk fungerar säkert.

I USA, cirka 20 procent av vår el och nästan 70 procent av elen från utsläppsfria källor, inklusive förnybar teknik och vattenkraftverk, levereras med kärnkraft. Tillsammans med kraftproduktion, många av världens kärnkraftsanläggningar används för forskning, materialtestning, eller produktion av radioisotoper för den medicinska industrin. Livslängden för strukturella och funktionella materialkomponenter i dessa anläggningar är därför avgörande för att säkerställa tillförlitlig drift och säkerhet.

Nu forskare vid Berkeley Lab, University of California i Berkeley, och Los Alamos National Laboratory har tagit fram en nanoskala testteknik för bestrålade material som ger makroskala materialhållfasthetsegenskaper. Denna teknik kan hjälpa till att påskynda utvecklingen av nya material för kärnkraftsapplikationer och minska mängden material som krävs för testning av anläggningar som redan används.

"Nanoskala mekaniska tester ger dig alltid högre styrkor än makroskalan, bulkvärden för ett material. Detta är ett problem om du faktiskt vill använda ett nanoskala-test för att berätta något om massmaterialets egenskaper, "sade Andrew Minor, en fakultetsvetare vid National Center for Electron Microscopy (NCEM) och en docent i materialvetenskapliga och tekniska avdelningen vid UC Berkeley. "Vi har visat att du faktiskt kan få verkliga egenskaper från bestrålade exemplar så små som 400 nanometer i diameter, som verkligen öppnar kärnämnesområdet för att dra nytta av nanoskala tester. "

I den här studien, Mindre och hans kollegor genomförde kompressionstester av kopparprover bestrålade med högenergiprotoner, utformad för att modellera hur skador från strålning påverkar kopparens mekaniska egenskaper. Genom att använda en specialiserad in situ mekanisk testanordning i ett transmissionselektronmikroskop vid NCEM, laget kunde undersöka - med nanoskalaupplösning - arten av deformationen och hur den lokaliserades till bara några atomplan.

Tredimensionella defekter i koppar som skapas av strålning kan blockera rörelsen av endimensionella defekter i kristallstrukturen, kallas dislokationer. Denna interaktion gör att bestrålat material blir sprött, och ändrar mängden kraft ett material tål innan det så småningom går sönder. Genom att översätta värden för nanoskala styrka till bulkegenskaper, denna teknik kan hjälpa reaktordesigner att hitta lämpligt material för konstruktionskomponenter i kärnkraftverk.

"Denna småskaliga testteknik kan hjälpa till att förlänga kärnreaktorns livslängd, "sa medförfattaren Peter Hosemann, en biträdande professor vid kärntekniska avdelningen vid UC Berkeley. "Genom att använda ett mindre exemplar, Vi begränsar alla säkerhetsfrågor relaterade till hanteringen av testmaterialet och kan eventuellt mäta de exakta egenskaperna hos ett material som redan används i en 40-årig kärnkraftsanläggning för att se till att denna struktur håller i framtiden. "

Mindre tillägger, "Att förstå hur material misslyckas är en grundläggande mekanistisk fråga. Detta principiella bevis ger oss ett modellsystem från vilket vi nu kan börja utforska verkliga, praktiska material som är tillämpliga på kärnkraft. Genom att förstå defektens roll för de mekaniska egenskaperna hos kärnreaktormaterial, vi kan designa material som är mer motståndskraftiga mot strålningsskador, vilket leder till mer avancerad och säkrare kärnteknik. "