Nanomaterjalidest saab ohutumaid tuumareaktoreid

 (3)
Nanomaterjalidest saab ohutumaid tuumareaktoreid
AFP/Scanpix

Tulevikus muutuvad tuumareaktorite lahutamatuks koostisosaks ennast ise parandada suutvad nanomaterjalid.

Ajakirjas Science ilmunud artiklis kirjeldavad Los Alamose labori teadlased üllatavat mehhanismi, mille abil paljudest väikestest terakestest koosnevad nanomaterjalid ennast radioaktiivse kiirguse tekitatud kahjustustest vabastavad, vahendab Novaator PhysOrgi uudist.

Tuumareaktorite konstrueerimisel tuleb arvestada sellega, et kasutatavad ehitusmaterjalid peavad taluma äärmiselt destruktiivset keskkonda. Lisaks radioaktiivsele kiirgusele ka suured temperatuurikõikumised, mehaanilised pinged ja korrosioon. Nanoskaalal kuhjuvad defektid muudavad ajapikku materjali omadusi sel määral, et ta ei täida enam talle algselt pandud ülesandeid.  

Radiatsioon lõhub materjali struktuuri, lüües osad kristallvõre aatomid välja oma õigetelt positsioonidelt ning tekitades seeläbi vakantseid ehk hõivamata kohti kristallstruktuuris. Selliste vigade kuhjumine muudab materjali hapraks ning võib viia katastroofiliste tagajärgedega õnnetusteni.

Seetõttu on äärmiselt oluline töötada välja materjale, mis kõrget radiatsiooni taluks või veel parem — suudaks ise tekkinud defekte kõrvaldada.

Kuna nanomaterjalid koosnevad paljudest väikestest osakestest ja osakeste vahelistest piirpindadest, võiksid nad teoreetiliselt olla radiatsioonile vastupidavamad (ühes terakeses tekkinud viga ei mõjuta kõrvalasuva terakese tugevust). Nanomaterjalide käitumist ekstreemsetes tingimustes ei osata aga siiani kuigi hästi modelleerida, sest kristallstruktuuris tekkivad defektid ja osakeste liikumised on oma iseloomult väga komplekssed ja keerulised visualiseerida.

Nüüd on Los Alamose teadlased selgitanud välja ühe nanoosakeste piirpinnal toimuva protsessi üksikasjad, mis võib aidata tulevikus märksa radiatsioonikindlamaid materjale kasutusele võtta. Teadlased kirjeldavad laadimise-mahalaadimise efektiks nimetatavat nähtust, mida teaduskirjanduses varem mainitud ei ole. Teadlased kasutasid kolme erinevat arvutisimulatsiooni, et uurida defektide ja terade piirpinna vahelisi muutusi pikosekundist kuni mikrosekundini (triljondik kuni miljondik sekundist) vältavas ajavahemikus.

Teadlased märkasid, et terade piirpinnad käitusid oma kohalt minema löödud aatomitele lõksuna. Seda faasi nimetasid nad laadimiseks ehk piirpindade laadimiseks aatomitega. Järgnev mahalaadimise faas oli aga täiesti ootamatu, sest kihipinnale lõksu jäänud aatomid vabastati kihipinna lähedastesse vakantsidesse, parandades niimoodi materjali struktuuri. Ehkki mahalaadimise protsess vajab energiat, on vajaminev kogus üsna väike.

Laadimise-mahalaadimise protsessi modelleerimine aitab mõista nanoosakeste käitumist, millele varem mõistlikku seletust ei olnud, ning avab võimalused järgmise põlvkonna tuumaelektrijaamades kasutatavate nanomaterjalide loomiseks.