Como testar resistência à radiação sem utilizar um reator nuclear

Técnica avançada de microscopia eletrônica simula efeito causado por radiação no revestimento dos reatores

Em 2011, na central nuclear de Fukushima (Japão), revestimento do combustível nuclear reagiu com vapor de água na câmara do reator, gerando acúmulo de hidrogênio, que causou explosão; desde então, cientistas buscam materiais mais resistentes aos efeitos da radiação – Foto: IAEA Imagebank via Wikimedia Commons / CC BY-SA 2.0

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O acidente na central nuclear de Fukushima, em 2011, no Japão, levou os cientistas a buscarem materiais para os reatores mais resistentes aos danos severos causados pela radiação. Um destes materiais é o nitreto de titânio, composto cerâmico testado em uma pesquisa internacional com participação da Escola Politécnica (Poli) da USP. Por meio de uma técnica avançada de microscopia eletrônica, o efeito da radiação é simulado sem necessidade de produzir uma reação nuclear, o que reduz o custo dos experimentos. O método usado no experimento é descrito em artigo do Journal of Nuclear Materials.

Os reatores nucleares possuem uma câmara em que são inseridas varetas metálicas com o combustível nuclear e o material que controla a intensidade da reação entre as partículas dos átomos, que leva à geração de energia. “A radiação produzida na reação pode danificar o revestimento do combustível e comprometer o reator”, conta o professor Claudio Schön, da Poli, um dos autores do artigo. “Em Fukushima, o revestimento era feito de zircaloy, uma liga metálica com zircônio. O vapor de água presente na câmara do reator reagiu com o zircônio, produzindo hidrogênio molecular, que se acumulou e causou uma explosão.”

Professor Claudio Geraldo Schön aponta que radiação produzida na reação entre partículas que gera energia pode danificar revestimento e comprometer funcionamento de reator nuclear – Foto: Cecília Bastos / USP Imagens

Desde então, segundo o professor, a comunidade científica busca soluções para evitar novos acidentes como esse. Uma das propostas é a adição de um filme fino sobre o zircaloy. Para essa finalidade, o Laboratório Nacional de Oak Ridge (Estados Unidos) estuda o nitreto de titânio, e um dos pesquisadores envolvidos é o primeiro autor do artigo, o físico Matheus Tunes, formado no Instituto de Física (IF) da USP. Na Poli, o doutorando Felipe Carneiro da Silva, orientado por Schön, pesquisa as propriedades mecânicas dos filmes finos de nitreto de titânio. A partir dos estudos de Carneiro da Silva, o físico testou o material nos laboratórios da Universidade de Huddersfield (Reino Unido).

Radiação simulada

Linha do acelerador de partículas, que emite um feixe de íons de xenônio (gás nobre) para simular incidência de radiação, conectada com o microscópio de transmissão eletrônica – Foto: Cedida por Matheus Tunes

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O nitreto de titânio foi observado em um microscópio de transmissão, acoplado a um acelerador de partículas. “A radiação é simulada por um feixe de íons de xenônio (gás nobre) que, ao se chocar com as partículas do material testado, simula o dano causado pela radiação do combustível nuclear”, explica Schön. “Se a simulação fosse feita em um reator nuclear, além do custo mais elevado e da dificuldade de controlar a reação, todo o material potencialmente se tornaria radioativo, o que não acontece com essa técnica.”

As análises demonstraram que o nitreto de titânio não é um material adequado para revestir o combustível nuclear. “Os testes identificaram dois processos que comprometem o desempenho da liga. Um deles é a segregação induzida por radiação, em que a energia envolvida na reação faz os átomos de titânio se concentrarem em defeitos cristalinos do material”, descreve o professor. “O outro é o aparecimento de cavidades e bolhas, que crescem rapidamente ao receberem o nitrogênio existente no composto, causando um inchamento que é ruim para a operação do reator.”

Materiais promissores

Imagem do microscópio de transmissão mostra acúmulo de bolhas na estrutura do nitreto de titânio, testado como revestimento do combustível nuclear;  inchamento provocado pelas bolhas poderia comprometer funcionamento do reator – Foto: Cedida por Matheus Tunes

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Em sua pesquisa de doutorado na Universidade de Huddersfield, Tunes utiliza a microscopia de transmissão para analisar dois materiais promissores no campo da proteção de danos causados pela radiação, as ligas de alta entropia (ligas metálicas complexas com vários elementos) e o MAX Phases (combinação de metal com carbono e silício). “Essas combinações permitiriam ligas metálicas com uma temperatura de fusão muito alta, o que dificultaria mudanças na estrutura do material, aumentando sua estabilidade”, afirma Schön. “Quanto menos a liga se alterar, maior será a capacidade de resistir à radiação.”

Os novos materiais poderão tornar viável a construção de reatores nucleares por fusão. “Os reatores atuais usam a técnica de fissão, em que a energia vem dos nêutrons, partículas dos átomos que interagem pouco com a matéria, limitando o dano causado pela radiação”, diz o professor. “Na fusão, são produzidas partículas alfa de altas energias (núcleos do gás hélio), cuja capacidade de interação é muito maior que a dos nêutrons. Isso faz com que todas as partículas causem danos, dificultando a criação de uma estrutura de controle que permita um reator funcional.”

 

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Mais informações: email schoen@usp.br, com o professor Cláudio Schön

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