Una nueva pista en un misterio de daño por radiación de 50 años

Actualizado 19/11/2018 13:02:33 CET
Reactor nuclear
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   MADRID, 19 Nov. (EUROPA PRESS) -

   Durante medio siglo, los investigadores han visto bucles de átomos desplazados dentro del acero de los reactores nucleares tras la exposición a la radiación, pero nadie ha podido descubrir 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 estas señales en el metal. El resultado, publicado en Nature Communications, podría ayudar a los ingenieros a diseñar mejor acero resistente a la radiación para reactores, o acero más fuerte en general.

   El hierro y el acero, como la mayoría de los metales, se organizan en una red cristalina, una disposición de átomos basada en un patrón repetido. En este caso, es un cubo con un átomo en cada esquina y uno en el centro. La radiación y otras tensiones pueden crear una variedad de defectos.

   En los defectos de "bucle", los átomos fuera de lugar forman anillos. Algunos bucles pueden viajar a través de la celosía, y su movilidad significa que no interfieren con la flexión del acero. Pero el defecto en cuestión (conocido como un bucle de dislocación intersticial <100>) tiende a quedarse. Colocados de forma incontrolada, estos bucles estacionarios causan fragilidad, pero si se colocan deliberadamente, podrían fortalecer el acero al mejorar su rigidez.

   "Ahora que conocemos el mecanismo, podemos reducir el daño por radiación al limitar la energía de las partículas a la que están expuestos los materiales", dijo Qing Peng, investigador en el laboratorio de Fei Gao, profesor de ingeniería nuclear y ciencias radiológicas.

   "También podemos usarlo para diseñar el defecto dentro de los materiales. Dependiendo de la energía, puede generar diferentes tipos de dislocaciones para ajustar las propiedades del material".

   Hasta ahora se habían ofrecido cinco hipótesis para explicar estos bucles misteriosos, pero ninguna es particularmente satisfactoria porque todas requieren condiciones especiales y tiempos relativamente largos para formar los bucles.

   Como los defectos parecen ser demasiado rápidos para medirlos, los investigadores esperaban que pudieran simular el mecanismo en una computadora. Pero eso tampoco sucedió. Supusieron que les tomó mucho tiempo proyectar sus trayectorias en tiempo real; simplemente no había suficiente poder para simular todos esos átomos en un tiempo razonable.

   La última observación resultó ser parcialmente cierta: había demasiados átomos para modelar. Pero el proceso en sí fue corto; el problema era hacer que el volumen de acero fuera lo suficientemente grande como para obtener la reacción. "Si la simulación es demasiado pequeña, una partícula de alta energía simplemente pasa. No hay reacción", dijo Peng.

   El equipo de Gao creó un modelo de computadora de una caja de 200 millones de átomos de hierro, dispuestos en la típica red, y golpeó una partícula de alta energía en ella. Lo que vieron fue una poderosa onda de choque que atravesó la celosía y se ramificó en diferentes direcciones.

   Millones de átomos de hierro fueron desplazados de sus manchas, y millones de ellos volvieron a caer en la red cuando la onda se disipó. Quedaron atrás 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 de tipo estacionario.

   Resultó que los bucles se crearon en la onda de choque inicial, un proceso que toma solo 13 billonésimas de un segundo. Esta explicación se planteó hace 40 años, pero se usó para explicar los defectos que aparecían en forma de líneas en lugar de bucles cerrados.

   Ahora que se conoce el mecanismo, se puede usar un modelo de computadora 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 como para producir este defecto.

   O bien, defectos como este pueden colocarse deliberadamente en acero para mejorar su rigidez. Estos bucles estacionarios de átomos, atrapados entre otros átomos en el cristal, hacen que sea más difícil deformar el acero.