Resumen gráfico. Crédito: material (2025). Doi: 10.1016 / j.scamat.2025.116940
Los investigadores del MIT han desarrollado una técnica que permite el monitoreo 3D en tiempo real de la corrosión, el agrietamiento y otros procesos de falla de materiales dentro de un entorno de reactores nucleares.
Esto podría permitir a los ingenieros y científicos diseñar reactores nucleares más seguros que también brinden un mayor rendimiento para aplicaciones como la generación de electricidad y la propulsión de los vasos navales.
Durante sus experimentos, los investigadores utilizaron radiografías extremadamente poderosas para imitar el comportamiento de los neutrones que interactúan con un material dentro de un reactor nuclear.
Descubrieron que agregar una capa de búfer de dióxido de silicio entre el material y su sustrato, y mantener el material debajo del haz de rayos X durante un período de tiempo más largo, mejora la estabilidad de la muestra. Esto permite el monitoreo en tiempo real de los procesos de falla del material.
Al reconstruir los datos de imagen 3D sobre la estructura de un material tal como falla, los investigadores podrían diseñar materiales más resistentes que puedan resistir mejor el estrés causado por la irradiación dentro de un reactor nuclear.
“Si podemos mejorar los materiales para un reactor nuclear, significa que podemos extender la vida de ese reactor. También significa que los materiales tardarán más en fallar, por lo que podemos obtener más uso de un reactor nuclear que ahora. La técnica que hemos demostrado aquí permite impulsar el límite en la comprensión de cómo falla en el tiempo real”, dice Ericmoore Jossou Jossou, quién ha compartido los nombramientos en el departamento de departamento de departamento y la ingeniería (Nse),, lo que está), lo que está), lo que está). Profesor, y el Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática (EECS), y el MIT Schwarzman College of Computing.
Jossou, autor principal de un estudio sobre esta técnica, se une al documento por el autor principal David Simonne, un postdoc de NSE; Riley Hultquist, un estudiante graduado en NSE; Jiangtao Zhao, del sincrotrón europeo; y Andrea Resta, de Synchrotron Soleil. La investigación es publicado En la revista Scripta Materiala.
“Solo con esta técnica podemos medir la tensión con una resolución a nanoescala durante los procesos de corrosión. Nuestro objetivo es traer tales ideas nuevas a la comunidad de ciencias nucleares mientras usa sincrotrones como una sonda de rayos X y una fuente de radiación”, agrega Simonne.
Imágenes en tiempo real
Estudiar la falla en tiempo real de los materiales utilizados en reactores nucleares avanzados ha sido durante mucho tiempo el objetivo del grupo de investigación de Jossou.
Por lo general, los investigadores solo pueden aprender sobre tales fallas materiales después del hecho, eliminando el material de su entorno e imaginándolo con un instrumento de alta resolución.
“Estamos interesados en ver el proceso como sucede. Si podemos hacer eso, podemos seguir el material de principio a fin y ver cuándo y cómo falla. Eso nos ayuda a comprender un material mucho mejor”, dice.
Simulan el proceso disparando un haz de rayos X extremadamente enfocado en una muestra para imitar el entorno dentro de un reactor nuclear. Los investigadores deben usar un tipo especial de rayos X de alta intensidad, que solo se encuentra en un puñado de instalaciones experimentales en todo el mundo.
Para estos experimentos estudiaron níquel, un material incorporado en aleaciones que se usan comúnmente en reactores nucleares avanzados. Pero antes de que pudieran comenzar el equipo de rayos X, tuvieron que preparar una muestra.
Para hacer esto, los investigadores utilizaron un proceso llamado rocío de estado sólido, que implica colocar una película delgada del material en un sustrato y calentarlo a una temperatura extremadamente alta en un horno hasta que se transforma en cristales individuales.
“Pensamos que hacer las muestras iba a ser un paseo por el parque, pero no fue”, dice Jossou.
A medida que el níquel se calentaba, interactuó con el sustrato de silicio y formó un nuevo compuesto químico, esencialmente descarrilando todo el experimento. Después de gran parte de prueba y error, los investigadores encontraron que agregar una capa delgada de dióxido de silicio entre el níquel y el sustrato evitó esta reacción.
Pero cuando los cristales se formaron en la parte superior de la capa de tampón, estaban altamente tensos. Esto significa que los átomos individuales se habían movido ligeramente a nuevas posiciones, causando distorsiones en la estructura cristalina.
Los algoritmos de recuperación de fase generalmente pueden recuperar el tamaño 3D y la forma de un cristal en tiempo real, pero si hay demasiada tensión en el material, los algoritmos fallarán.
Sin embargo, el equipo se sorprendió al descubrir que mantener el haz de rayos X entrenado en la muestra durante un período de tiempo más largo hizo que la tensión se relajara lentamente, debido a la capa de tampón de silicio. Después de unos minutos adicionales de radiografías, la muestra era lo suficientemente estable como para que pudieran utilizar algoritmos de recuperación de fase para recuperar con precisión la forma y el tamaño 3D del cristal.
“Nadie había podido hacer eso antes. Ahora que podemos hacer este cristal, podemos obtener imágenes de procesos electroquímicos como la corrosión en tiempo real, observando que el cristal falla en 3D en condiciones que son muy similares a un reactor nuclear. Esto tiene impactos de largo alcance”, dice.
Experimentaron con un sustrato diferente, como el titanato de estroncio dopado con niobio, y descubrieron que solo una oblea de silicio tamponada con dióxido de silicio creó este efecto único.
Un resultado inesperado
Mientras afinaban el experimento, los investigadores descubrieron algo más.
También podrían usar el haz de rayos X para controlar con precisión la cantidad de tensión en el material, lo que podría tener implicaciones para el desarrollo de microelectrónicas.
En la comunidad de microelectrónica, los ingenieros a menudo introducen la tensión para deformar la estructura cristalina de un material de una manera que aumenta sus propiedades eléctricas u ópticas.
“Con nuestra técnica, los ingenieros pueden usar radiografías para sintonizar la tensión en la microelectrónica mientras las fabrican. Si bien este no fue nuestro objetivo con estos experimentos, es como obtener dos resultados por el precio de uno”, agrega.
En el futuro, los investigadores desean aplicar esta técnica a materiales más complejos como el acero y otras aleaciones de metales utilizadas en reactores nucleares y aplicaciones aeroespaciales. También quieren ver cómo cambiar el grosor de la capa de tampón de dióxido de silicio afecta su capacidad para controlar la tensión en una muestra de cristal.
“Este descubrimiento es significativo por dos razones. Primero, proporciona una visión fundamental de cómo los materiales a nanoescala responden a la radiación, una cuestión de creciente importancia para las tecnologías energéticas, microelectrónicas y materiales cuánticos. En segundo lugar, resalta el papel crítico del sustrato en la relajación de la tensión, que muestra que la superficie de apoyo puede determinar las partículas de las partículas o la liberación de la tensión cuando se expone a los rayos X-ray centrados en la tensión”, dice Edwin, dice la superficie de las partículas, la tensión de la liberación cuando se expuse a los rayos X-ray enfocados en las rayas de la tensión “, dice la cepa de deformación”, dice la cepa de las partículas, la tensión de la liberación cuando se expuse a los rayos X-ray centrados en la tensión “, dice el beams de tensión”, dice el cepa de las partículas. Instituto Politécnico Rensselaer, que no participó en este trabajo.
Más información: David Simonne et al, Relajación de tensión inducida por irradiación de rayos X de partículas de Ni rociadas en sustrato de Si modificado, materialia Scripta (2025). Dos: 10.1016/j.scriptam.2025.116940
Proporcionado por el Instituto de Tecnología de Massachusetts
Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, la innovación y la enseñanza.
Cita: la técnica en tiempo real Imágenes directamente falla del material en 3D para mejorar la seguridad y la longevidad del reactor nuclear (2025, 27 de agosto) Consultado el 27 de agosto de 2025 de https://techxplore.com/news/2025-08-real-technique-images-material-failure.html
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