O nouă simulare pe computer a dezvăluit un comportament de auto-vindecare într-o ceramică comună care poate duce la dezvoltarea de materiale rezistente la radiații pentru centralele nucleare și depozitarea deșeurilor.

auto-vindecătoare

Cercetătorii de la Laboratorul Național al Pacificului de Nord-Vest al Departamentului Energiei au descoperit că mișcarea neliniștită a atomilor de oxigen vindecă daunele provocate de radiații în zirconia ceramică stabilizată prin yttria.

Oamenii de știință Ram Devanathan și Bill Weber au modelat cât de bine rezistă ceramica și alte materiale la radiații. "Dacă doriți ca un material să reziste radiațiilor de-a lungul mileniilor, nu vă puteți aștepta ca acesta să stea acolo și să-l ia. Trebuie să existe un mecanism de auto-vindecare", a spus Devanathan.

„Această cercetare ridică posibilitatea de a produce defecte mobile în ceramică pentru a spori toleranța la radiații”, a spus Weber. El a menționat că materialele capabile să manipuleze doze mari de radiații, de asemenea, „ar putea îmbunătăți durabilitatea echipamentelor cheie și ar putea reduce costurile înlocuirilor”.

Cercetătorii și-au abordat investigația în trei pași. În primul rând, au analizat zirconia stabilizată cu yttria, un compus din oxizi de itriu și zirconiu care conține defecte structurale aleatorii numite „locuri libere”. Defectele apar deoarece itriul are o sarcină electrică mai mică decât zirconiul. Pentru a corecta dezechilibrul de încărcare, zirconia renunță la atomii de oxigen. Dar pierderea acestor atomi de oxigen lasă situri goale de oxigen. Restul de atomi de oxigen sare constant în și din aceste locuri.

"Este ca o clasă plină de copii agitați", a spus Devanathan. „Când profesorul o întoarce pe spate, copiii sar constant pe scaune goale, lăsându-și propriile scaune vacante până când un alt copil sare pe scaun”.

Apoi, oamenii de știință au simulat un atom care suferă decăderea alfa. O particulă alfa trage din nucleul atomic cu o forță atât de mare încât restul atomului se retrage în direcția opusă. Atomul în retragere poate provoca daune semnificative structurilor atomice din jur.

În cele din urmă, cercetătorii au folosit algoritmi de analiză a datelor, dezvoltați la PNNL, pentru a căuta atomi scoși din loc. Rezultatele au arătat că atomii de oxigen deplasați în zirconia stabilizată cu yttria „au găsit locuri” în posturile vacante preexistente din întreaga ceramică.

Deși activitatea de auto-vindecare nu repară complet materialul, defectele sunt mai puțin apte să provoace probleme deoarece sunt răspândite. Această caracteristică indică faptul că zirconia stabilizată prin yttria, utilizată astăzi în articole precum celulele de combustibil cu oxid solid și senzorii de oxigen, ar putea fi potrivită pentru aplicații nucleare.

Cercetătorii au simulat, de asemenea, impactul radiațiilor asupra zirconului, o ceramică candidată la imobilizarea deșeurilor nucleare de nivel înalt. Defectele de simulare grupate împreună în simulări de zircon, schimbând proprietățile materialului. „Defectele grupate sunt mult mai dificil de reparat decât defectele izolate, a spus Devanathan.

Oamenii de știință rafinează acum simulările și le aplică pe alte materiale.

Biroul de Științe Energetice de Bază al DOE a finanțat cercetarea, care a fost efectuată pe supercomputere masiv paralele în Laboratorul de Științe Moleculare de Mediu William R. Wiley (EMSL) de la PNNL și Centrul Național de Calcul Științific al Energiei în Laboratorul Național Lawrence Berkeley.

Referințe: Ram Devanathan și William J. Weber. „Recuocare dinamică a defectelor ceramicii pe bază de zirconiu iradiat”, publicat în Journal of Materials Research, martie 2008, 23 (3): 593-597.