Studija životnog vijeka grafita u nuklearnim reaktorima

Grafit je ključna strukturna komponenta u nekim od najstarijih nuklearnih reaktora na svijetu i mnogim projektima sljedeće generacije koji se danas grade. No, on se također kondenzira i bubri kao odgovor na zračenje, a mehanizam iza tih promjena pokazao se teškim za proučavanje.

Istraživači s američkog tehnološkog instituta MIT-a otkrili su vezu između svojstava grafita i načina na koji se materijal ponaša kao odgovor na zračenje. Nalazi bi mogli dovesti do točnijih i manje destruktivnih načina predviđanja životnog vijeka grafitnih materijala koji se koriste u reaktorima diljem svijeta. 

„Proveli smo neka osnovna znanstvena istraživanja kako bismo razumjeli što dovodi do bubrenja i, na kraju, loma grafitnih struktura“, kaže Boris Khaykovich, znanstvenik istraživač s MIT-a, glavni autor nove studije. „Potrebna su daljnja istraživanja kako bi se ovo primijenilo u praksi, ali rad predlaže atraktivnu ideju za industriju: da možda nećete morati razbiti stotine ozračenih uzoraka kako biste razumjeli njihovu točku loma.“ 

Točnije, studija pokazuje vezu između veličine pora unutar grafita i načina na koji materijal bubri i smanjuje se u volumenu, što dovodi do degradacije. 

„Vijek trajanja nuklearnog grafita ograničen je bubrenjem uzrokovanim zračenjem“, kaže koautor i znanstvenik MIT-a Lance Snead. „Poroznost je kontrolirajući faktor u ovom bubrenju i iako je grafit opsežno proučavan za nuklearne primjene od Projekta Manhattan, još uvijek nemamo jasno razumijevanje poroznosti, ni u mehaničkim svojstvima, ni u bubrenju. Ovaj rad se time bavi.“ 

Svaka vrsta grafita ima svoju kompozitnu strukturu, ali sve sadrže fraktale ili oblike koji izgledaju isto u različitim mjerilima. 

Zbog tih složenosti teško je predvidjeti kako će grafit reagirati na zračenje u mikroskopskim detaljima, iako je desetljećima poznato da se grafit, kada se ozračuje, prvo zgušnjava, smanjujući svoj volumen do 10 posto, prije nego što nabubri i puca. Fluktuacija volumena uzrokovana je promjenama poroznosti i naprezanja u rešetki grafita. 

„Grafit se raspada pod zračenjem, kao i svaki materijal“, kaže Khaykovich. „Dakle, s jedne strane imamo materijal koji je iznimno dobro poznat, a s druge strane je izuzetno kompliciran, s ponašanjem koje je nemoguće predvidjeti računalnim simulacijama.“ 

Za studiju, istraživači su primili ozračene uzorke grafita iz Nacionalnog laboratorija Oak Ridge. Koautori Campbell i Snead bili su uključeni u ozračivanje uzoraka prije otprilike 20 godina. Uzorci su vrste grafita poznate kao G347A. 

Istraživački tim koristio je tehniku analize poznatu kao raspršenje X-zraka, koja koristi raspršeni intenzitet X-zraka za analizu svojstava materijala. Točnije, proučavali su raspodjelu veličina i površina pora uzorka, odnosno ono što je poznato kao fraktalne dimenzije materijala. 

Fraktalni modeli su i prije korišteni na uzorcima grafita, ali ne i na ozračenim uzorcima kako bi se vidjelo kako se mijenja struktura pora materijala. Istraživači su otkrili da se pore, kada se grafit prvi put izloži zračenju, pune kako se materijal degradira. 

„Ali ono što nas je prilično iznenadilo jest da se raspodjela veličine pora vratila u normalu“, kaže Fayfar. „Imali smo ovaj proces oporavka koji se podudarao s našim ukupnim dijagramima volumena, što je bilo prilično neobično. Čini se da se grafit, nakon što je toliko dugo ozračen, počinje oporavljati. To je svojevrsni proces žarenja gdje se stvaraju neke nove pore, a zatim se pore izglade i postanu malo veće. To je bilo veliko iznenađenje.“ 

Istraživači planiraju proučavati druge vrste grafita i dalje istraživati kako veličine pora u ozračenom grafitu koreliraju s vjerojatnošću loma. Nagađaju da bi se statistička tehnika poznata kao Weibullova distribucija mogla koristiti za predviđanje vremena potrebnog za lom grafita. Weibullova distribucija već se koristi za opisivanje vjerojatnosti loma u keramici i drugim poroznim materijalima poput metalnih legura. 

Rad otvorenog pristupa objavljen je ovog tjedna u časopisu Interdisciplinary Materials.