재료의 방사선 손상을 정량화하는 더 나은 방법

Apr 28, 2024

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그것은 MIT 원자로 시설의 실험실 뒤편에 폐기 준비가 되어 있는 쓰레기 조각에 불과했습니다. 그러나 이는 재료의 원자 수준 구조적 손상을 감지하는 보다 포괄적인 방법을 입증하는 열쇠가 되었습니다. 이 접근 방식은 새로운 재료의 개발을 지원하고 잠재적으로 탄소 배출이 없는 원자력 발전소의 지속적인 운영을 지원할 수 있습니다. 지구 기후변화 완화에 도움이 될 것입니다.

원자로 내부에서 제거된 작은 티타늄 너트는 MIT와 다른 기관에서 개발된 이 새로운 기술이 노출된 것을 포함하여 재료 내부에 생성된 결함을 조사하는 방법을 제공한다는 것을 증명하는 데 필요한 재료였습니다. 기존 방식보다 5배 더 높은 감도로 방사선에 대한 민감도를 높였습니다.

새로운 접근 방식은 원자로 내부에서 발생하는 손상의 대부분이 원자 규모이므로 기존 방법으로는 탐지하기 어렵다는 사실을 밝혀냈습니다. 이 기술은 온도에 따라 변화하는 방식을 통해 이러한 손상을 직접 측정하는 방법을 제공합니다. 그리고 현재 가동 중인 원자로의 샘플을 측정하는 데 사용될 수 있으며, 잠재적으로 현재 허가된 수명보다 훨씬 더 오랫동안 발전소를 안전하게 운영할 수 있습니다.

이번 연구 결과는 MIT 연구 전문가이자 최근 졸업생인 Charles Hirst PhD '22의 논문으로 Science Advances 저널에 오늘 보고되었습니다. MIT 교수 Michael Short, Scott Kemp, Ju Li; 그리고 헬싱키 대학교, 아이다호 국립 연구소, 캘리포니아 대학교 어바인 캠퍼스에 5명이 있습니다.

문제가 되는 물질의 물리적 구조를 직접 관찰하는 대신, 새로운 접근 방식은 해당 구조 내에 저장된 에너지의 양을 살펴봅니다. 방사선 노출이나 기계적 응력으로 인해 발생하는 것과 같이 재료 내 원자의 질서 있는 구조가 붕괴되면 실제로 재료에 과도한 에너지가 전달됩니다. 에너지 차이를 관찰하고 정량화함으로써 물질 내 총 손상량을 계산할 수 있습니다. 손상이 너무 작아서 현미경이나 다른 감지 방법으로 이미지화할 수 없는 원자 규모 결함의 형태인 경우에도 마찬가지입니다.

이 방법의 원리는 계산과 시뮬레이션을 통해 자세히 연구되었습니다. 그러나 증거를 제공한 것은 MIT 원자로의 티타늄 너트 하나에 대한 실제 테스트였으며, 이로써 재료의 손상을 측정하는 새로운 방법의 문이 열렸습니다.

그들이 사용한 방법을 시차 주사 열량계라고 합니다. Hirst가 설명했듯이 이는 많은 학생들이 고등학교 화학 수업에서 수행하는 열량 측정 실험과 원칙적으로 유사합니다. 여기서 그들은 물 1g의 온도를 1도 높이는 데 필요한 에너지의 양을 측정합니다. 연구자들이 사용한 시스템은 “에너지 변화를 측정하는 근본적으로 똑같은 시스템이었습니다. … 나는 그것을 내부에 열전대가 있는 멋진 용광로라고 부르고 싶습니다.”

스캐닝 부분은 한 번에 조금씩 온도를 서서히 올려 샘플이 어떻게 반응하는지 확인하는 부분이고, 미분 부분은 두 개의 동일한 챔버를 한 번에 측정한다는 사실을 의미합니다. 하나는 비어 있고 다른 하나는 연구 대상 샘플이 들어 있습니다. . 둘 사이의 차이는 샘플 에너지의 세부사항을 드러낸다고 Hirst는 설명합니다.

“우리는 분당 50도씩 일정한 속도로 실온에서 섭씨 600도까지 온도를 올립니다.”라고 그는 말합니다. 빈 용기에 비해 “재료를 가열하려면 에너지가 필요하기 때문에 재료는 자연스럽게 뒤처지게 됩니다. 그러나 물질 내부의 에너지에 변화가 있으면 온도가 변합니다. 우리의 경우, 결함이 재결합할 때 에너지 방출이 있었고, 그런 다음 용광로에서 약간 먼저 시작될 것입니다. 이것이 우리가 샘플의 에너지를 측정하는 방법입니다.”