A distribuição do tamanho dos poros da grafite oferece novas pistas para a previsão de falha do materials do reator nuclear

A grafite é um componente estrutural-chave em alguns dos mais antigos reatores nucleares do mundo e muitos dos projetos de próxima geração que estão sendo construídos hoje. Mas também condensa e incha em resposta à radiação – e o mecanismo por trás dessas mudanças se mostrou difícil de estudar.

Agora, pesquisadores e colaboradores do MIT descobriram uma ligação entre as propriedades de grafite e como o materials se comporta em resposta à radiação. As descobertas podem levar a maneiras mais precisas e menos destrutivas de prever a vida útil dos materiais de grafite usados em reatores em todo o mundo.

“Fizemos alguma ciência básica para entender o que leva ao inchaço e, eventualmente, fracasso nas estruturas de grafite”, diz o cientista da MIT Analysis Boris Khaykovich, autor sênior do novo estudo. “Mais pesquisas serão necessárias para colocar isso em prática, mas o artigo propõe uma idéia atraente para a indústria: que talvez você não exact quebrar centenas de amostras irradiadas para entender seu ponto de falha”.

Especificamente, o estudo mostra uma conexão entre o tamanho dos poros na grafite e a maneira como o materials incha e encolherá em quantity, levando à degradação.

“A vida útil da grafite nuclear é limitada pelo inchaço induzido por irradiação”, diz o co-autor e cientista da MIT Analysis, Lance Snead. “A porosidade é um fator de controle nesse inchaço e, embora a grafite tenha sido extensivamente estudada para aplicações nucleares desde o projeto Manhattan, ainda não temos uma compreensão clara da porosidade nas propriedades mecânicas e no inchaço. Este trabalho aborda isso”.

O artigo de acesso aberto period publicado esta semana em Materiais interdisciplinares. É co-autor de Khaykovich, Snead, cientista do MIT, Sean Fayfar, ex-colega de pesquisa do MIT Durgesh Rai, Professor Assistente da Universidade Stony Brook, David Sproustter, cientista do Laboratório Nacional de Oak Ridge, Anne Campbell, e o físico do Laboratório Nacional de Argonne, Jan Ilavsky.

Um materials complexo e de longa information

Desde 1942, quando físicos e engenheiros construíram o primeiro reator nuclear do mundo em uma quadra de abóbora convertida na Universidade de Chicago, a grafite desempenhou um papel central na geração de energia nuclear. Esse primeiro reator, apelidado de Chicago Pile, foi construído a partir de cerca de 40.000 blocos de grafite, muitos dos quais continham pepitas de urânio.

Hoje, a grafite é um componente very important de muitos reatores nucleares operacionais e deve desempenhar um papel central nos projetos de reatores de próxima geração, como sal fundido e reatores de gás de alta temperatura. Isso ocorre porque a grafite é um bom moderador de nêutrons, desacelerando os nêutrons liberados pela fissão nuclear, para que eles criem fissões e sustentem uma reação em cadeia.

“A simplicidade da grafite o torna valioso”, explica Khaykovich. “É feito de carbono e é relativamente conhecido como torná-lo de maneira limpa. A grafite é uma tecnologia muito madura. É simples, estável e sabemos que funciona”.

Mas a grafite também tem suas complexidades.

“Chamamos de grafite de composto, embora seja composto apenas de átomos de carbono”, diz Khaykovich. “Inclui ‘partículas de preenchimento’ que são mais cristalinas, então há uma matriz chamada ‘ligante’ que é menos cristalina; em seguida, há poros que se estendem de comprimento de nanômetros a muitos microns”.

Cada grau de grafite tem sua própria estrutura composta, mas todos contêm fractais ou formas que parecem iguais em escalas diferentes.

Essas complexidades dificultaram a previsão de como a grafite responderá à radiação nos detalhes microscópicos, embora seja conhecido há décadas que, quando a grafite é irradiada, primeiro densifica, reduzindo seu quantity em até 10%, antes do inchaço e rachaduras. A flutuação do quantity é causada por alterações na porosidade e na tensão da rede da grafite.

“A grafite se deteriora sob radiação, como qualquer materials”, diz Khaykovich. “Então, por um lado, temos um materials extremamente conhecido e, por outro lado, temos um materials imensamente complicado, com um comportamento impossível de prever por meio de simulações de computador”.

Para o estudo, os pesquisadores receberam amostras de grafite irradiadas do Laboratório Nacional de Oak Ridge. Os co-autores Campbell e Snead estavam envolvidos na irradiação das amostras há cerca de 20 anos. As amostras são um grau de grafite conhecido como G347A.

A equipe de pesquisa usou uma técnica de análise conhecida como espalhamento de raios-X, que usa a intensidade dispersa de um feixe de raios-X para analisar as propriedades do materials. Especificamente, eles analisaram a distribuição de tamanhos e áreas de superfície dos poros da amostra, ou o que é conhecido como dimensões fractais do materials.

“Quando você olha para a intensidade de espalhamento, vê uma grande variedade de porosidade”, diz Fayfar. “A grafite tem porosidade em escalas tão grandes, e você tem essa auto-similaridade fractal: os poros em tamanhos muito pequenos são semelhantes aos poros que abrangem microns, por isso usamos modelos fractais para relacionar diferentes morfologias em escalas de comprimento”.

Modelos fractais já haviam sido usados em amostras de grafite antes, mas não em amostras irradiadas para ver como o materials do materials poro As estruturas mudaram. Os pesquisadores descobriram que, quando a grafite é exposta pela primeira vez à radiação, seus poros são preenchidos à medida que o materials se degrada.

“Mas o que foi surpreendente para nós é a (distribuição de tamanho dos poros) voltou”, diz Fayfar. “Tivemos esse processo de recuperação que correspondia às nossas parcelas gerais de quantity, o que foi bastante estranho. Parece que depois que a grafite é irradiada por tanto tempo, ela começa a se recuperar. É uma espécie de processo de recozimento em que você cria alguns novos poros, então os poros suavam e ficam um pouco maiores. Isso foi uma grande surpresa”.

Os pesquisadores descobriram que a distribuição de tamanho dos poros segue de perto a mudança de quantity causada por danos à radiação.

“Encontrar uma forte correlação entre a (distribuição de tamanho dos poros) e as mudanças de quantity da grafite é uma nova descoberta e ajuda a se conectar à falha do materials sob irradiação”, diz Khaykovich. “É importante que as pessoas saibam como as peças de grafite falharão quando estiverem sob estresse e como a probabilidade de falha muda sob irradiação”.

De pesquisa a reatores

Os pesquisadores planejam estudar outras graus de grafite e explorar ainda mais como os tamanhos dos poros em grafite irradiada se correlacionam com a probabilidade de falha. Eles especulam que uma técnica estatística conhecida como distribuição Weibull poderia ser usada para prever o tempo da grafite até a falha. A distribuição Weibull já é usada para descrever a probabilidade de falha na cerâmica e outros materiais porosos, como ligas de metallic.

Khaykovich também especulou que os achados poderiam contribuir para a nossa compreensão de por que os materiais densificam e incham sob irradiação.

“Não existe um modelo quantitativo de densificação que leve em consideração o que está acontecendo nessas pequenas escalas na grafite”, diz Khaykovich. “A densificação de irradiação de grafite me lembra areia ou açúcar, onde quando você esmaga pedaços grandes em grãos menores, eles densificam.

“Para a grafite nuclear, a força de esmagamento é a energia que os nêutrons trazem, fazendo com que os poros grandes se encham de peças menores e trituradas. Mas mais energia e agitação criam ainda mais poros e, portanto, o grafite incha novamente. Não é uma analogia perfeita, mas acredito que os analogias trazem progresso para entender esses materiais”.

Os pesquisadores descrevem o artigo como um passo importante para informar a produção de grafite e o uso em reatores nucleares do futuro.

“A grafite é estudada há muito tempo e desenvolvemos muitas intuições fortes sobre como ela responderá em diferentes ambientes, mas quando você está construindo um reator nuclear, detalha”, diz Khaykovich. “As pessoas querem números. Eles precisam saber quanta condutividade térmica mudará, quanto rachadura e mudança de quantity acontecerão. Se os componentes estiverem mudando o quantity, em algum momento você precisará levar isso em consideração”.

Esta história é republicada, cortesia do MIT Information (internet.mit.edu/newsoffice/), um web site widespread que abrange notícias sobre pesquisa, inovação e ensino do MIT.