Una nueva pista sobre un misterio de daño por radiación de hace 50 años

 nueva pista sobre un misterio de daño por radiación de hace 50 años

Durante medio siglo, los investigadores han visto aparecer bucles de átomos desplazados dentro del acero del reactor nuclear después de la exposición a la radiación, pero nadie ha podido averiguar cómo.

Ahora, una simulación realizada por investigadores de la Universidad de Michigan, la Universidad de Hunan (China) y el Instituto Politécnico Rensselaer ha demostrado que una onda de choque produce estos lazos de hierro. El resultado podría ayudar a los ingenieros a diseñar un mejor acero resistente a las radiaciones para los reactores, o un acero más fuerte en general.

El hierro y el acero, como la mayoría de los metales, se organizan en un entramado de cristales - un arreglo de átomos basado en un patrón repetido. En este caso, es un cubo con un átomo en cada esquina y otro en el centro. La radiación y otros esfuerzos pueden crear una variedad de defectos.

En los defectos de "bucle", los átomos fuera de lugar forman anillos ásperos. Algunos lazos pueden viajar a través de la celosía, y su movilidad significa que no se interponen en el camino de la flexión del acero. Pero el defecto en cuestión (conocido como bucle de dislocación intersticial <100>) tiende a quedarse quieto. Colocados de forma incontrolada, estos lazos estacionarios causan fragilidad, pero si se colocan deliberadamente, pueden reforzar el acero mejorando su rigidez.

"Ahora que conocemos el mecanismo, podemos reducir el daño de la radiación limitando la energía de las partículas a las que se exponen los materiales", dijo Qing Peng, investigador del laboratorio de Fei Gao, profesor de ingeniería nuclear y ciencias radiológicas.

"También podemos usarlo para crear el defecto dentro de los materiales. Dependiendo de la energía, se pueden generar diferentes tipos de dislocaciones para afinar las propiedades del material".

Cinco explicaciones anteriores están en la carrera para explicar los misteriosos bucles, pero ninguna es particularmente satisfactoria porque todas requieren condiciones especiales y tiempos relativamente largos para crear los bucles.

Debido a que los defectos aparecen demasiado rápido para ser medidos, los investigadores esperaban poder simular el mecanismo en una computadora. Pero eso tampoco sucedió. Supusieron que les tomaba demasiado tiempo trazar sus trayectorias en tiempo real - simplemente no había suficiente energía para simular todos esos átomos en un tiempo razonable.

Esta última observación resultó ser parcialmente cierta: había demasiados átomos para modelar. Pero el proceso en sí fue corto; el problema fue hacer que el volumen de hierro fuera lo suficientemente grande para obtener la reacción.
"Si la simulación es demasiado pequeña, una partícula de alta energía simplemente pasa a través. Ninguna reacción," dijo Peng.
El equipo de Gao creó un modelo computarizado de una caja de 200 millones de átomos de hierro, dispuestos en el típico entramado, y golpeó con una partícula de alta energía contra ella. Lo que vieron fue una poderosa onda de choque que atravesó la celosía, ramificándose en diferentes direcciones.

Millones de átomos de hierro fueron desplazados de sus lugares, y millones de ellos volvieron a caer en el entramado a medida que la ola se disipaba. Atrás quedaron cientos de defectos "puntuales" en los que los átomos individuales estaban fuera de lugar, y un puñado de bucles. Muchos de estos eran bucles que pueden viajar, que no son una causa importante de fragilidad, pero a menudo uno o dos eran del tipo estacionario.

Resultó que los bucles se crearon en la onda de choque inicial, un proceso que sólo tarda 13 trillonésimas de segundo más o menos. Esta explicación ya existía hace 40 años, pero se usaba para explicar defectos que aparecían en líneas y no en bucles cerrados.

Ahora que el mecanismo es conocido, se puede usar un modelo computarizado similar para recomendar condiciones de operación para aleaciones de acero en ambientes con radiación. Las partículas menos energéticas no crearán ondas de choque lo suficientemente fuertes para producir este defecto.

O bien, defectos como este pueden ser colocados deliberadamente en el acero para aumentar su rigidez. Estos bucles estacionarios de átomos, atascados entre otros átomos en el cristal, hacen más difícil que el acero se doble.

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