Una de las principales razones para limitar la vida útil de los reactores nucleares es que los metales expuestos al fuerte entorno de radiación cerca del núcleo del reactor se vuelven porosos y quebradizos, lo que puede provocar grietas y fallas. Ahora, un equipo de investigadores del MIT yEn otros lugares se ha descubierto que, al menos en algunos reactores, agregar una pequeña cantidad de nanotubos de carbono al metal puede reducir drásticamente este proceso de descomposición.
Por ahora, el método solo ha demostrado ser efectivo para el aluminio, lo que limita sus aplicaciones a los entornos de baja temperatura que se encuentran en los reactores de investigación. Pero el equipo dice que el método también puede usarse en las aleaciones de mayor temperatura utilizadas en reactores comerciales.
Los hallazgos se describen en la revista nano energía en un documento del profesor del MIT Ju Li, postdocs Kang Pyo So y Mingda Li, el científico investigador Akihiro Kushima y otros 10 en el MIT, Texas A&M University y universidades de Corea del Sur, Chile y Argentina.
El aluminio se usa actualmente no solo en componentes de reactores de investigación sino también en baterías nucleares y naves espaciales, y se ha propuesto como material para contenedores de almacenamiento de desechos nucleares. Por lo tanto, mejorar su vida útil podría tener beneficios significativos, dice Ju Li, quien esProfesor de Ciencia e Ingeniería Nuclear de Battelle Energy Alliance y profesor de ciencia e ingeniería de materiales.
estabilidad a largo plazo
El metal con nanotubos de carbono dispersos uniformemente dentro "está diseñado para mitigar el daño por radiación" durante largos períodos sin degradarse, dice Kang Pyo So.
El helio de la transmutación de la radiación se instala dentro de los metales y hace que el material esté plagado de pequeñas burbujas a lo largo de los límites del grano y progresivamente más frágil, explican los investigadores. Los nanotubos, a pesar de que solo representan una pequeña fracción del volumen, menos de2 por ciento: puede formar una red de transporte unidimensional que se filtra, para proporcionar vías para que el helio se escape en lugar de quedar atrapado dentro del metal, donde podría continuar causando daños.
Las pruebas mostraron que después de la exposición a la radiación, los nanotubos de carbono dentro del metal pueden ser alterados químicamente a carburos, pero aún conservan su forma delgada, "casi como insectos atrapados en el ámbar", dice Ju Li. "Es bastante sorprendente:no se ve una gota; conservan su morfología. Sigue siendo unidimensional ". La gran área interfacial total de estas nanoestructuras 1-D proporciona una forma para que los defectos puntuales inducidos por la radiación se recombinen en el metal, aliviando un proceso queLos investigadores mostraron que la estructura 1-D fue capaz de sobrevivir hasta 70 DPA de daño por radiación. DPA es una unidad que se refiere a cuántas veces, en promedio, cada átomo en la red cristalina es eliminadode su sitio por radiación, por lo que 70 DPA significa mucho daño por radiación.
Después de la exposición a la radiación, Ju Li dice: "vemos poros en la muestra de control, pero no hay poros" en el nuevo material ", y los datos mecánicos muestran que tiene mucha menos fragilidad". Para una cantidad dada de exposición a la radiación, elLas pruebas han demostrado que la cantidad de fragilidad se reduce entre cinco y diez veces.
El nuevo material necesita solo pequeñas cantidades de nanotubos de carbono CNT, aproximadamente 1 por ciento en peso agregado al metal, y estos son de bajo costo para producir y procesar, dice el equipo. El compuesto puede fabricarse a bajo costo pormétodos industriales comunes y ya están siendo producidos por toneladas por los fabricantes en Corea, para la industria automotriz.
Fuerza y resistencia
Incluso antes de la exposición a la radiación, la adición de esta pequeña cantidad de nanotubos mejora la resistencia del material en un 50 por ciento y también mejora su ductilidad a la tracción, su capacidad de deformarse sin romperse, dice el equipo.
"Esta es una prueba de principio", dice Kang Pyo So. Si bien el material utilizado para las pruebas fue aluminio, el equipo planea realizar pruebas similares con circonio, un metal ampliamente utilizado para aplicaciones de reactores de alta temperatura, como el revestimiento depastillas de combustible nuclear. "Creemos que esta es una propiedad genérica de los sistemas de metal-CNT", dice.
"Este es un desarrollo de considerable importancia para la ciencia de los materiales nucleares, donde los compuestos, en particular los aceros reforzados con dispersión de óxido, se han considerado materiales candidatos prometedores para aplicaciones que involucran altas temperaturas y altas dosis de irradiación", dice Sergei Dudarev, unprofesor de ciencias de los materiales en la Universidad de Oxford en el Reino Unido, que no participó en este trabajo.
Dudarev agrega que este nuevo material compuesto "se muestra notablemente estable bajo irradiación prolongada, lo que indica que el material puede recuperarse por sí mismo y retener parcialmente sus propiedades originales después de la exposición a altas dosis de irradiación a temperatura ambiente. El hecho de que el nuevo material puedeser producido a un costo relativamente bajo también es una ventaja "
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de Massachusetts . Original escrito por David L. Chandler. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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