Investigadores del MIT han desarrollado una técnica que permite la monitorización 3D en tiempo real de la corrosión, el agrietamiento y otros procesos de fallo de materiales dentro de un entorno de reactor nuclear.

Esto podría permitir a los ingenieros y científicos diseñar reactores nucleares más seguros que también ofrezcan un mayor rendimiento para aplicaciones como la generación de electricidad y la propulsión de buques de guerra.

Durante sus experimentos, los investigadores utilizaron rayos X extremadamente potentes para imitar el comportamiento de los neutrones que interactúan con un material dentro de un reactor nuclear.

Descubrieron que añadir una capa amortiguadora de dióxido de silicio entre el material y su sustrato, y mantener el material bajo el haz de rayos X durante más tiempo, mejora la estabilidad de la muestra. Esto permite la monitorización en tiempo real de los procesos de fallo del material.

Al reconstruir datos de imágenes 3D sobre la estructura de un material a medida que falla, los investigadores podrían diseñar materiales más resistentes que puedan soportar mejor el estrés causado por la irradiación dentro de un reactor nuclear.

“Si podemos mejorar los materiales de un reactor nuclear, podemos prolongar su vida útil. También significa que los materiales tardarán más en fallar, lo que nos permitirá obtener un mayor rendimiento de un reactor nuclear que ahora. La técnica que hemos demostrado aquí permite ampliar los límites de la comprensión de cómo fallan los materiales en tiempo real”, afirma Ericmoore Jossou, quien ha compartido puestos en el Departamento de Ciencias e Ingeniería Nuclear (NSE), donde es profesor de la Cátedra John Clark Hardwick, el Departamento de Ingeniería Eléctrica y Ciencias de la Computación (EECS) y el Colegio de Computación Schwarzman del MIT.

Jossou, autor principal de un estudio sobre esta técnica, colabora en el artículo con el autor principal, David Simonne, investigador posdoctoral de la NSE; Riley Hultquist, estudiante de posgrado de la NSE; Jiangtao Zhao, del Sincrotrón Europeo; y Andrea Resta, del Sincrotrón SOLEIL. La investigación se publicó el martes en la revista Scripta Materiala.

Solo con esta técnica podemos medir la deformación con una resolución nanométrica durante los procesos de corrosión. Nuestro objetivo es aportar estas novedosas ideas a la comunidad científica nuclear utilizando sincrotrones como sonda de rayos X y fuente de radiación, añade Simonne.

Imágenes en tiempo real

Estudiar los fallos en tiempo real de los materiales utilizados en reactores nucleares avanzados ha sido durante mucho tiempo un objetivo del grupo de investigación de Jossou.

Generalmente, los investigadores sólo pueden enterarse de tales fallas materiales después de que ocurren, extrayendo el material de su entorno y obteniendo imágenes del mismo con un instrumento de alta resolución.

Nos interesa observar el proceso en tiempo real. Si podemos hacerlo, podemos seguir el material de principio a fin y ver cuándo y cómo falla. Eso nos ayuda a comprender mucho mejor el material, afirma.

Simulan el proceso disparando un haz de rayos X extremadamente concentrado sobre una muestra para simular el ambiente dentro de un reactor nuclear. Los investigadores deben utilizar un tipo especial de rayos X de alta intensidad, que solo se encuentra en unas pocas instalaciones experimentales en todo el mundo.

Para estos experimentos, estudiaron el níquel, un material incorporado en aleaciones comúnmente utilizadas en reactores nucleares avanzados. Pero antes de poder poner en marcha el equipo de rayos X, tuvieron que preparar una muestra.

Para ello, los investigadores utilizaron un proceso llamado deshumectación en estado sólido, que implica colocar una fina película del material sobre un sustrato y calentarlo a una temperatura extremadamente alta en un horno hasta que se transforma en monocristales.

“Pensábamos que hacer las muestras sería pan comido, pero no lo fue”, dice Jossou.

Al calentarse, el níquel interactuó con el sustrato de silicio y formó un nuevo compuesto químico, lo que prácticamente arruinó todo el experimento. Tras mucho ensayo y error, los investigadores descubrieron que añadir una fina capa de dióxido de silicio entre el níquel y el sustrato impedía esta reacción.

Pero cuando se formaron cristales sobre la capa amortiguadora, estos se sometieron a una gran tensión. Esto significa que los átomos individuales se desplazaron ligeramente a nuevas posiciones, causando distorsiones en la estructura cristalina.

Los algoritmos de recuperación de fase generalmente pueden recuperar el tamaño y la forma 3D de un cristal en tiempo real, pero si hay demasiada tensión en el material, los algoritmos fallarán.

Sin embargo, el equipo se sorprendió al descubrir que, al mantener el haz de rayos X sobre la muestra durante más tiempo, la tensión se relajaba lentamente gracias a la capa amortiguadora de silicio. Tras unos minutos adicionales de rayos X, la muestra se estabilizó lo suficiente como para poder utilizar algoritmos de recuperación de fase para recuperar con precisión la forma y el tamaño 3D del cristal.

Nadie había podido hacer eso antes. Ahora que podemos fabricar este cristal, podemos visualizar procesos electroquímicos como la corrosión en tiempo real, observando el fallo del cristal en 3D en condiciones muy similares a las del interior de un reactor nuclear. Esto tiene un impacto trascendental, afirma.

Experimentaron con un sustrato diferente, como el titanato de estroncio dopado con niobio, y descubrieron que sólo una oblea de silicio amortiguada con dióxido de silicio creaba este efecto único.

Un resultado inesperado

A medida que perfeccionaban el experimento, los investigadores descubrieron algo más.

También podrían utilizar el haz de rayos X para controlar con precisión la cantidad de tensión en el material, lo que podría tener implicaciones para el desarrollo de la microelectrónica.

En la comunidad de microelectrónica, los ingenieros a menudo introducen tensión para deformar la estructura cristalina de un material de manera que mejore sus propiedades eléctricas u ópticas.

Con nuestra técnica, los ingenieros pueden usar rayos X para ajustar la deformación en la microelectrónica durante su fabricación. Si bien este no era nuestro objetivo con estos experimentos, es como obtener dos resultados por el precio de uno, añade.

En el futuro, los investigadores quieren aplicar esta técnica a materiales más complejos, como el acero y otras aleaciones metálicas utilizadas en reactores nucleares y aplicaciones aeroespaciales. También quieren observar cómo la modificación del espesor de la capa amortiguadora de dióxido de silicio afecta su capacidad para controlar la deformación en una muestra de cristal.

Este descubrimiento es significativo por dos razones. En primer lugar, proporciona información fundamental sobre cómo los materiales a nanoescala responden a la radiación, una cuestión de creciente importancia para las tecnologías energéticas, la microelectrónica y los materiales cuánticos. En segundo lugar, destaca el papel crucial del sustrato en la relajación de la tensión, demostrando que la superficie de soporte puede determinar si las partículas retienen o liberan la tensión al exponerse a rayos X enfocados, afirma Edwin Fohtung, profesor asociado del Instituto Politécnico Rensselaer, quien no participó en este trabajo.

Este trabajo fue financiado, en parte, por el Fondo de Iniciativas Iniciales para la Facultad del MIT y el Departamento de Energía de EE. UU. La preparación de las muestras se llevó a cabo, en parte, en las instalaciones de MIT.nano.

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