- La nueva tecnología reduce el tiempo de prueba de materiales para reactores nucleares a aproximadamente seis horas.
- El nuevo sistema puede observar simultáneamente la forma física, la composición elemental y la disposición atómica.
- Cuatro modos de imagen pueden registrar diferentes características físicas al mismo tiempo.
- Los investigadores planean reducir el tiempo de escaneo a menos de 30 minutos.
Con la puesta en marcha de una estación integrada de pruebas de rayos X, el tiempo necesario para evaluar los materiales requeridos para los reactores nucleares de próxima generación se ha reducido a aproximadamente seis horas, en lugar de los varios días que se necesitaban anteriormente. El sistema y sus datos de rendimiento han sido detallados en la revista "Synchrotron Radiation". Los ingenieros han desplegado esta configuración en la línea de luz de difracción de rayos X en polvo del Laboratorio Nacional de Brookhaven, que forma parte de la Fuente Nacional de Luz Sincrotrón II. El dispositivo unifica cuatro modos independientes de tomografía computarizada en una sola etapa de prueba. Por lo tanto, los investigadores pueden observar simultáneamente la forma física, la composición elemental y la disposición atómica de un objeto, sin necesidad de cortar o dañar el material objetivo.
Los componentes nucleares deben mantener su integridad durante décadas bajo condiciones operativas extremas. Los campos de radiación intensa, el estrés mecánico, las altas temperaturas y la corrosión química dañan gradualmente los elementos combustibles y los recipientes. Comprender estos cambios en la microestructura es esencial para que los ingenieros certifiquen nuevos diseños de reactores.
Capacidades de prueba de la nueva tecnología
La tomografía computarizada puede construir vistas tridimensionales de patrones de estructuras internas sin realizar cortes físicos. Históricamente, obtener imágenes analíticas completas requería que los operadores transfirieran las muestras a varios instrumentos diferentes para pruebas individuales. Esta fricción logística extendía los experimentos a varios días y hacía difícil examinar exactamente la misma área bajo diferentes condiciones de prueba. El nuevo sitio resuelve este problema enfocando rayos X de alta energía o "duros" en un haz estrecho de solo 15 micrómetros de ancho, equivalente a un cuarto del grosor de un cabello humano. Los rayos X duros tienen la capacidad de penetrar materiales densos y pesados, incluyendo aceros estructurales para reactores y combustibles de actínidos radiactivos como el uranio.
El haz estrecho proporciona la resolución espacial necesaria para medir áreas altamente ordenadas y áreas irregulares dentro de una sola muestra.
Durante el ciclo de prueba, los cuatro modos de imagen del instrumento pueden registrar simultáneamente diferentes características físicas. La tomografía computarizada de absorción de rayos X registra los cambios de densidad en la muestra, revelando la formación de cavidades, grietas y vacíos internos. Al mismo tiempo, la tomografía computarizada de fluorescencia de rayos X rastrea las características de los elementos y mapea la ubicación de elementos químicos específicos dentro del volumen de la muestra. La tomografía computarizada de difracción de rayos X se enfoca en áreas cristalinas ordenadas, midiendo los patrones geométricos formados por la red atómica interna. La tomografía computarizada de función de distribución de pares analiza áreas no cristalinas desordenadas, describiendo detalladamente la estructura atómica de las regiones que carecen de patrones de red regulares.
Simerjeet Gill, subdirector de la División de Ciencia y Seguridad Nuclear de Brookhaven y coautor del nuevo artículo, dijo: "Al realizar estas cuatro técnicas simultáneamente, podemos determinar con precisión dónde ocurren estos cambios químicos y relacionarlos con los cambios en la resistencia y fragilidad del material. Esta relación estructura-composición-propiedad es lo que buscamos entender en el estudio de los materiales nucleares".
Dirección de desarrollo futuro
Para validar la capacidad de la estación, los investigadores crearon una muestra de evaluación que combinaba alambres metálicos de diferentes diámetros y composiciones químicas con polvos. Las pruebas demostraron que la estación puede registrar simultáneamente las posiciones atómicas, la distribución de elementos y los límites físicos en un plazo de seis horas. Actualmente se están llevando a cabo trabajos de desarrollo para equipar detectores más nuevos, con el objetivo de reducir el tiempo total de escaneo a menos de 30 minutos. Además de los materiales para reactores, los científicos también utilizan el sistema para estudiar medios filtrantes porosos para el tratamiento de aguas ambientales y evaluar los cambios internos en las baterías durante los ciclos de carga.
Mejora de la eficiencia en la prueba de materiales nucleares y perspectivas de aplicación
Con el avance de la tecnología de prueba de materiales para reactores nucleares, el tiempo de prueba se ha reducido significativamente a seis horas, lo cual es crucial para la seguridad y eficiencia de la industria nuclear. La versatilidad del nuevo sistema permite a los investigadores obtener múltiples tipos de datos simultáneamente, lo que no solo mejora la precisión de las pruebas, sino que también reduce el tiempo de procesamiento de muestras requerido. Con el desarrollo continuo de la tecnología, se espera que el tiempo de escaneo se reduzca a 30 minutos en el futuro, lo que proporcionará más posibilidades para la evaluación rápida de materiales nucleares y la investigación ambiental, impulsando aún más el desarrollo de la energía nuclear y tecnologías relacionadas.