¡Eureka! 20 siglos después de que Arquímedes dijera esta mítica frase, un grupo de investigadores no han tenido más remedio que decirla hace unos días. La radiación casi siempre degrada los materiales expuestos a ella, acelerando su deterioro y requiriendo el reemplazo de componentes clave en entornos de alta radiación como los reactores nucleares. Pero para ciertas aleaciones que podrían usarse en reactores de fisión o fusión, lo opuesto resulta ser cierto: los investigadores del MIT y del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley han descubierto que, en lugar de acelerar la degradación del material, la radiación en realidad mejora su resistencia, duplicando potencialmente la vida útil del material. Y lo hicieron casi sin querer.
El hallazgo podría ser una bendición para algunos diseños de reactores nuevos y de vanguardia, incluidos los reactores de fisión enfriados con sales fundidas y nuevos reactores de fusión, como el diseño ARC que están desarrollando MIT y Commonwealth Fusion Systems.
El hallazgo, que fue una sorpresa para los científicos nucleares, se ha publicado en la revista Nature Communications , en un artículo del profesor de ciencias e ingeniería nuclear del MIT Michael Short, el estudiante graduado Weiyue Zhou y otros cinco en el MIT y en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley.
Short dice que el hallazgo fue un poco fortuito; de hecho, los investigadores buscaban cuantificar el efecto contrario. Inicialmente, querían determinar cuánta radiación aumentaría la tasa de corrosión en ciertas aleaciones de níquel y cromo que se pueden usar como revestimiento para conjuntos de combustible nuclear.
Los experimentos fueron difíciles de llevar a cabo, porque es imposible medir temperaturas directamente en la interfaz entre la sal fundida, utilizada como refrigerante, y la superficie de la aleación metálica. Por lo tanto, era necesario determinar las condiciones indirectamente rodeando el material con una batería de sensores. Sin embargo, desde el principio, las pruebas mostraron signos del efecto opuesto: la corrosión, la principal causa de fallo de los materiales en el ambiente hostil de un reactor, parecía reducirse en lugar de acelerarse cuando se bañaba en radiación, en este caso un alto flujo de protones.
"Lo repetimos docenas de veces, con diferentes condiciones", dice Short, "y cada vez obtuvimos los mismos resultados, corrosión retrasada".
El tipo de entorno del reactor que el equipo simuló en sus experimentos implica el uso de sal fundida de sodio, litio y potasio como refrigerante tanto para las barras de combustible nuclear en un reactor de fisión como para el recipiente de vacío que rodea un plasma súper caliente en reactor de fusión futuro. Cuando la sal fundida caliente está en contacto con el metal, la corrosión puede ocurrir rápidamente, pero con estas aleaciones de níquel-cromo descubrieron que la corrosión tardó el doble en desarrollarse cuando el material se bañó en radiación de un acelerador de protones, produciendo un ambiente de radiación similar al que se encontraría en los reactores propuestos.
"Ser capaz de predecir con mayor precisión la vida útil de los componentes críticos del reactor podría reducir la necesidad de reemplazo preventivo y temprano de piezas", dice Short.
El análisis cuidadoso de las imágenes de las superficies de aleación afectadas mediante microscopía electrónica de transmisión, después de irradiar el metal en contacto con sal fundida a 650 grados Celsius (una temperatura de funcionamiento típica para la sal en dichos reactores), ayudó a revelar el mecanismo que causa el efecto inesperado. La radiación tiende a crear defectos más pequeños en la estructura de la aleación, y estos defectos permiten que los átomos del metal se difundan más fácilmente, fluyendo para llenar rápidamente los vacíos que se crean por la sal corrosiva. En efecto, el daño por radiación promueve una especie de mecanismo de autocuración dentro del metal.
Hubo indicios de tal efecto hace medio siglo, cuando los experimentos con un primer reactor de fisión experimental refrigerado por sal mostraron una corrosión más baja de lo esperado en sus materiales, pero las razones de esto habían sido un misterio hasta este nuevo trabajo, dice Short . Incluso después de los hallazgos experimentales iniciales de este equipo, Short asegura que "nos tomó mucho más tiempo darle sentido".
El descubrimiento podría ser relevante para una variedad de nuevos diseños propuestos para reactores que podrían ser más seguros y más eficientes que los diseños existentes, dice Short. Se han propuesto varios diseños para reactores de fisión refrigerados por sal, incluido uno por un equipo dirigido por Charles Forsberg, un científico investigador principal en el Departamento de Ciencia e Ingeniería Nuclear del MIT. Los hallazgos también podrían ser útiles para varios diseños propuestos para nuevos tipos de reactores de fusión que las empresas de nueva creación persiguen activamente, y que tienen el potencial de proporcionar electricidad sin emisiones de gases de efecto invernadero y mucho menos desechos radiactivos.
"No es particular de ningún diseño", dice Short. "Ayuda a todos".
Rodrigo Javier Gómez
13/07/2020