Unikatowy polski model zmian w materiałach poddanych promieniowaniu

Unikatowy model teoretyczny, symulujący wpływ promieniowania na strukturę materiałów, opracowano w Instytucie Problemów Jądrowych (IPJ) i Instytucie Technologii Materiałów Elektronicznych (ITME). Model wspomoże procesy projektowania bezpieczniejszych elektrowni jądrowych oraz tworzenia wydajniejszych komputerów i materiałów o nowych własnościach.

Jak zauważa rzecznik IPJ, dr Marek Pawłowski, wiedza o defektach spowodowanych promieniowaniem ma kluczowe znaczenie m.in. dla bezpieczeństwa elektrowni jądrowych. Już dziś wymaga się, aby jedna awaria reaktora zdarzała się nie częściej niż raz na 10 tys. lat pracy.

"Zapewnienie takiego poziomu bezpieczeństwa byłoby niemożliwe bez dokładnego zrozumienia, co dzieje się z materiałami wkładanymi do wnętrza reaktora" - podkreśla prof. Jacek Jagielski (IPJ, ITME).

Ciężkie produkty rozszczepienia - czyli powstające w reaktorze duże fragmenty jąder atomowych - najefektywniej oddziałują w końcowej fazie swego lotu przez materiał. Dochodzi wówczas do serii oddziaływań elastycznych z atomami ośrodka, co przypomina zderzenia kul bilardowych.

"Jeden produkt rozpadu może wtedy wybić nawet kilka tysięcy atomów z węzłów sieci krystalicznej" - wyjaśnia prof. Jagielski. Właśnie ten etap oddziaływania opisano w polskim modelu defektów.

Wcześniejsze modele teoretyczne stosowane na świecie przyjmowały, że mechanizm oddziaływań w bombardowanym obszarze materiału jest ten sam od pierwszego do ostatniego uderzenia. "My zakładamy, że proces kumulacji defektów składa się z następujących po sobie etapów. Każdy jest zdominowany przez inny mechanizm wytwarzania defektów" - opisuje naukowiec.

Jak dodaje rzecznik IPJ, gdy powstająca na jednym etapie struktura defektowa staje się niekorzystna energetycznie, zaczyna dominować inny mechanizm oddziaływania i następuje przejście do kolejnego etapu. Aby symulować zmiany zachodzące w próbce konkretnego materiału, wystarczy doświadczalnie wyróżnić te etapy i zidentyfikować dominujący w danym momencie typ defektu. "Najpiękniejszy jest fakt, że wszystkie te procesy udało się nam opisać jednym wzorem" - ocenia prof. Jagielski.

Wiedza o defektach powstających w materiałach w wyniku oddziaływania z promieniowaniem jest szczególnie istotna w reaktorach jądrowych nowych generacji. Nowe paliwa jądrowe - których użycie będzie możliwe w następnych generacjach reaktorów - umożliwią nie tylko produkcję energii elektrycznej, ale także niszczenie odpadów radioaktywnych powstających w wyniku reakcji jądrowych. Aby takie paliwo mogło zostać wykorzystane w praktyce, naukowcy muszą szczegółowo zbadać, jak materiały pełniące rolę matrycy reagują na promieniowanie.

"Oprócz energetyki jądrowej, nowy model znajdzie zastosowanie w przemyśle, przede wszystkim w implantacji jonów. Proces ten, polegający na bombardowaniu materiałów jonami, odgrywa kluczową rolę w produkcji układów scalonych CMOS, powszechnie używanych w komputerach, telefonach komórkowych i zegarkach. Otwierają się również nowe możliwości zmian własności materiałów. Za pomocą implantacji jonów można otrzymać np. ceramikę o zwiększonej odporności na pękanie" - tłumaczy dr Marek Pawłowski.

Polski model defektów radiacyjnych już zdobył uznanie naukowców z całego świata, w tym autorów wcześniejszych modeli. W październiku 2009 roku opisująca go praca została wyróżniona przez "Journal of Applied Physics" jako "research highlight".

W ramach międzynarodowej współpracy obejmującej laboratoria polskie (IPJ i ITME), francuskie (Centre de Spectrometrie Nucleaire et de Spectrometrie de Masse IN2P3-CNRS, Orsay) i amerykańskie (Pacific Northwest National Laboratory - jedno z laboratoriów Departamentu Energii), zostaną wkrótce przeprowadzone badania i pomiary, których celem po raz pierwszy będzie analiza ilościowa defektów złożonych: określenie, ile takich defektów tworzy się w próbce danego materiału poddanej promieniowaniu. Za symulowanie zachodzących zjawisk będzie odpowiadał zespół naukowców z Instytutu Problemów Jądrowych i Instytutu Technologii Materiałów Elektronicznych.