Los materiales expuestos a la radiación de neutrones tienden a experimentar daños significativos, lo que lleva a los desafíos de contención involucrados en la inmovilización de desechos nucleares o confinamientos de plantas nucleares. En la nanoescala, estos neutrones incidentes chocan con los átomos de un material que, a su vez, chocan entre síalgo parecido al billar. La red atómica desordenada resultante y sus propiedades físicas se parecen a las que se ven en algunos materiales vítreos, lo que ha llevado a muchos en el campo a usarlos en la investigación nuclear.
Pero las similitudes entre los materiales pueden no ser tan útiles como se pensaba anteriormente, según los nuevos resultados reportados esta semana en El diario de la física química , de AIP Publishing.
Las redes atómicas desordenadas de las sustancias vítreas son el resultado de la vitrificación, la transformación de una sustancia en vidrio por su fusión y típicamente enfriamiento posterior rápido. Durante este enfriamiento o enfriamiento, los átomos no tienen tiempo para asentarse de manera organizaday, en cambio, forman una red atómica desordenada, lo que llevó a un grupo de investigadores de la Universidad de California, Los Ángeles UCLA y el Laboratorio Nacional Oak Ridge a explorar la pregunta: ¿La irradiación y la vitrificación tienen el mismo impacto en la estructura atómica de los materiales??
Para encontrar una respuesta, exploraron el cuarzo, un material simple pero omnipresente en la naturaleza utilizado para innumerables aplicaciones de ingeniería.
Los experimentos tradicionales no permiten a los investigadores "ver" los átomos directamente, especialmente dentro de los materiales desordenados. Por lo tanto, para su estudio, el grupo se basó en simulaciones atomísticas utilizando la técnica de dinámica molecular.
"La técnica de dinámica molecular se basa en resolver numéricamente las leyes de movimiento de Newton para un grupo de átomos que interactúan", dijo Mathieu Bauchy, profesor asistente en el departamento de Ingeniería Civil y Ambiental de la UCLA. "Todos los átomos aplican una fuerza entre síque se puede usar para calcular la aceleración de cada átomo en el tiempo "
Con base en esta técnica, pudieron simular el desorden del cuarzo inducido por la irradiación al colisionar secuencialmente los átomos de la red con neutrones incidentes ficticios.
"También simulamos la vitrificación de cuarzo calentando y apagando rápidamente los átomos", dijo Bauchy. "Finalmente, comparamos la estructura atómica resultante de estos dos materiales desordenados".
Descubrieron diferencias sorprendentes.
"Muy inesperadamente, encontramos que el desorden inducido por la irradiación difiere en naturaleza del inducido por la vitrificación", dijo Bauchy. "Esto es bastante sorprendente porque los vidrios y materiales muy irradiados típicamente exhiben la misma densidad, por lo que los vidrios se usan a menudocomo modelos para simular el efecto de la exposición a las radiaciones en los materiales "
En contraste, los resultados de los investigadores sugieren que los materiales irradiados están más desordenados que los vidrios. "La estructura atómica de los materiales irradiados está realmente más cerca de la de un líquido que de la de un vidrio", dijo Bauchy.
Los hallazgos del grupo potencialmente tienen serias implicaciones para la selección de materiales para aplicaciones nucleares.
"Primero, sugerimos que los modelos actuales podrían estar subestimando la extensión del daño exhibido por los materiales sometidos a irradiación, lo que plantea preocupaciones obvias de seguridad", dijo NM Anoop Krishnan, un investigador postdoctoral también en UCLA. "Segundo, las diferentes naturalezasdel trastorno inducido por irradiación y vitrificación sugiere que los vidrios también pueden verse afectados por la irradiación ".
Este es un descubrimiento significativo porque los vidrios, que se cree que se "curan por sí mismos" bajo irradiación, se usan comúnmente para inmovilizar los desechos nucleares mediante vitrificación.
"Se espera que estas formas de desechos permanezcan estables durante millones de años una vez depositados en depósitos geológicos, por lo que nuestra falta de comprensión del efecto de la irradiación representa una preocupación real", dijo Krishnan.
A continuación, el grupo planea explorar el efecto de la irradiación en los agregados comunes que se encuentran en el concreto de las plantas de energía nuclear y en los vidrios de inmovilización de desechos nucleares. "En última instancia, nuestro objetivo es desarrollar modelos novedosos para predecir el efecto a largo plazo de la irradiaciónsobre la estructura y las propiedades de los materiales ", dijo Bauchy.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionados por Instituto Americano de Física . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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