Los científicos han descubierto un vínculo entre la distribución del tamaño de los poros del material y su capacidad para soportar la radiación

Zach Winn | Noticias del MIT

El grafito es un componente estructural clave en algunos de los reactores nucleares más antiguos del mundo y en muchos de los diseños de nueva generación que se construyen hoy en día. Sin embargo, también se condensa y se expande en respuesta a la radiación, y el mecanismo que subyace a estos cambios ha resultado difícil de estudiar.

Ahora, investigadores del MIT y sus colaboradores han descubierto una relación entre las propiedades del grafito y su comportamiento en respuesta a la radiación. Estos hallazgos podrían conducir a métodos más precisos y menos destructivos para predecir la vida útil de los materiales de grafito utilizados en reactores de todo el mundo.

“Analizamos algunos aspectos científicos básicos para comprender qué provoca la hinchazón y, finalmente, el fallo en las estructuras de grafito”, afirma Boris Khaykovich, investigador del MIT y autor principal del nuevo estudio. “Se necesitará más investigación para poner esto en práctica, pero el artículo propone una idea atractiva para la industria: que quizá no sea necesario romper cientos de muestras irradiadas para comprender su punto de fallo”.

En concreto, el estudio muestra una conexión entre el tamaño de los poros del grafito y la forma en que el material se hincha y se contrae en volumen, lo que conduce a la degradación.

“La vida útil del grafito nuclear está limitada por el hinchamiento inducido por la radiación”, afirma Lance Snead, coautor e investigador del MIT. “La porosidad es un factor determinante de este hinchamiento, y si bien el grafito se ha estudiado ampliamente para aplicaciones nucleares desde el Proyecto Manhattan, aún no comprendemos con claridad la porosidad, tanto en sus propiedades mecánicas como en su hinchamiento. Este trabajo aborda este problema”.

El artículo de acceso abierto se publica en Interdisciplinary Materials. Es coautorado por Khaykovich, Snead, el científico investigador del MIT Sean Fayfar, el ex investigador del MIT Durgesh Rai, el profesor adjunto de la Universidad de Stony Brook David Sprouster, la científica del Laboratorio Nacional de Oak Ridge Anne Campbell y el físico del Laboratorio Nacional de Argonne Jan Ilavsky.

Un material complejo y largamente estudiado

Desde 1942, cuando físicos e ingenieros construyeron el primer reactor nuclear del mundo en una antigua cancha de squash de la Universidad de Chicago, el grafito ha desempeñado un papel fundamental en la generación de energía nuclear. Ese primer reactor, conocido como la Pila de Chicago, se construyó con unos 40.000 bloques de grafito, muchos de los cuales contenían pepitas de uranio.

Hoy en día, el grafito es un componente vital de muchos reactores nucleares en funcionamiento y se espera que desempeñe un papel fundamental en los diseños de reactores de próxima generación, como los de sales fundidas y los de gas de alta temperatura. Esto se debe a que el grafito es un buen moderador de neutrones, ralentizando los neutrones liberados por la fisión nuclear, lo que aumenta la probabilidad de que se fisionen y mantengan una reacción en cadena.

“La simplicidad del grafito lo hace valioso”, explica Khaykovich. “Está hecho de carbono y se sabe bastante bien cómo fabricarlo de forma limpia. El grafito es una tecnología muy madura. Es simple, estable y sabemos que funciona”.

Pero el grafito también tiene sus complejidades.

“Llamamos al grafito un compuesto, aunque esté formado únicamente por átomos de carbono”, afirma Khaykovich. “Incluye partículas de relleno más cristalinas, una matriz menos cristalina llamada aglutinante y poros con longitudes que van desde nanómetros hasta muchos micrones”.

Cada grado de grafito tiene su propia estructura compuesta, pero todos contienen fractales o formas que parecen iguales en diferentes escalas.

Estas complejidades han dificultado la predicción microscópica de la respuesta del grafito a la radiación, aunque se sabe desde hace décadas que, al irradiarlo, primero se densifica, reduciendo su volumen hasta en un 10 %, antes de hincharse y agrietarse. La fluctuación del volumen se debe a cambios en la porosidad y la tensión reticular del grafito.

“El grafito se deteriora bajo la radiación, como cualquier material”, afirma Khaykovich. “Por un lado, tenemos un material extremadamente conocido y, por otro, un material sumamente complejo, con un comportamiento imposible de predecir mediante simulaciones por computadora”.

Para el estudio, los investigadores recibieron muestras de grafito irradiado del Laboratorio Nacional de Oak Ridge. Los coautores Campbell y Snead participaron en la irradiación de las muestras hace unos 20 años. Las muestras son de un grado de grafito conocido como G347A.

El equipo de investigación empleó una técnica de análisis conocida como dispersión de rayos X, que utiliza la intensidad dispersa de un haz de rayos X para analizar las propiedades del material. En concreto, analizaron la distribución del tamaño y la superficie de los poros de la muestra, o lo que se conoce como dimensiones fractales del material.

“Al observar la intensidad de la dispersión, se observa un amplio rango de porosidad”, afirma Fayfar. “El grafito presenta porosidad a escalas tan grandes, y se observa esta autosimilitud fractal: los poros de tamaños muy pequeños se parecen a los poros de micras, por lo que utilizamos modelos fractales para relacionar diferentes morfologías a lo largo de las escalas de longitud”.

Se habían utilizado modelos fractales en muestras de grafito, pero no en muestras irradiadas para observar cómo cambiaban las estructuras porosas del material. Los investigadores descubrieron que, cuando el grafito se expone por primera vez a la radiación, sus poros se rellenan a medida que el material se degrada.

“Pero lo que nos sorprendió bastante fue que [la distribución del tamaño de los poros] se invirtió”, dice Fayfar. “Contábamos con un proceso de recuperación que coincidía con nuestros gráficos de volumen general, lo cual fue bastante extraño. Parece que después de irradiar el grafito durante tanto tiempo, comienza a recuperarse. Es una especie de proceso de recocido donde se crean nuevos poros, que luego se suavizan y se agrandan ligeramente. Fue una gran sorpresa”.

Los investigadores descubrieron que la distribución del tamaño de los poros sigue de cerca el cambio de volumen causado por el daño por radiación.

“Encontrar una fuerte correlación entre la distribución del tamaño de los poros y los cambios de volumen del grafito es un hallazgo novedoso que ayuda a establecer la conexión con el fallo del material bajo irradiación”, afirma Khaykovich. “Es importante que las personas sepan cómo fallan las piezas de grafito bajo tensión y cómo cambia la probabilidad de fallo bajo la irradiación”.

De la investigación a los reactores

Los investigadores planean estudiar otros grados de grafito y explorar más a fondo cómo se correlacionan los tamaños de poro del grafito irradiado con la probabilidad de fallo. Especulan que una técnica estadística conocida como la Distribución de Weibull podría utilizarse para predecir el tiempo que tarda el grafito en fallar. La Distribución de Weibull ya se utiliza para describir la probabilidad de fallo en cerámica y otros materiales porosos, como las aleaciones metálicas.

Khaykovich también especuló que los hallazgos podrían contribuir a nuestra comprensión de por qué los materiales se densifican y se hinchan bajo la irradiación.

“No existe un modelo cuantitativo de densificación que tenga en cuenta lo que ocurre en el grafito a estas escalas diminutas”, afirma Khaykovich. “La densificación por irradiación del grafito me recuerda a la de la arena o el azúcar: al triturar trozos grandes en granos más pequeños, se densifican. En el caso del grafito nuclear, la fuerza de trituración es la energía que aportan los neutrones, lo que hace que los poros grandes se llenen de trozos más pequeños y triturados. Pero una mayor energía y agitación crean aún más poros, y por lo tanto, el grafito se hincha de nuevo. No es una analogía perfecta, pero creo que las analogías contribuyen al progreso de la comprensión de estos materiales”.

Los investigadores describen el artículo como un paso importante para informar sobre la producción y el uso de grafito en los reactores nucleares del futuro.

“El grafito se ha estudiado durante mucho tiempo, y hemos desarrollado una sólida intuición sobre su respuesta en diferentes entornos, pero al construir un reactor nuclear, los detalles importan”, afirma Khaykovich. “La gente busca cifras. Necesita saber cuánto cambiará la conductividad térmica, cuánto se agrietará y cuánto cambiará el volumen. Si los componentes cambian de volumen, en algún momento hay que tenerlo en cuenta”.