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Modelaje de propiedades regenerativas para reactores nucleares

La nanociencia ha deparado nuevas técnicas para el diseño de materiales estructurales que ayudarán a lograr las innovaciones que requerirán los sistemas de energía nuclear del futuro. Así, gracias a dichas novedades, unos científicos de la Unión Europea han creado modelos a multiescala de materiales novedosos para la construcción de reactores que son capaces de «autorrepararse» y, de ese modo, aumentan su tolerancia a la radiación.
Modelaje de propiedades regenerativas para reactores nucleares
El daño por radiación se manifiesta en los materiales de los reactores como dilataciones y termofluencia, deformaciones que pueden producir su rotura. Los indicios recabados sugieren que tal dilatación se puede prevenir con una nueva clase de materiales que presentan propiedades autorregenerativas. Sin embargo, hasta ahora no se disponía de herramientas matemáticas de modelaje y simulación para investigar estos fenómenos y dar con mejores diseños.

Esta laguna de conocimientos fue subsanada por el proyecto financiado con fondos europeos RADINTERFACES (Multiscale modelling and materials by design of interface-controlled radiation damage in crystalline materials). Se investigaron dichos fenómenos en todos los niveles relevantes, comenzando por la estructura electrónica donde el átomo primario de retroceso o APR (primary knock-on atom, PKA) puede iniciar una cascada de eventos destructivos.

Las nuevas películas de múltiples capas de materiales multifásicos cristalinos mostraron capacidad para reparar los daños asociados a los APR. De esta manera, los investigadores modelaron el comportamiento de dichos materiales a todos los niveles: las interacciones entre átomos (escala microscópica), la propagación de daños en cristales únicos y multicapas de materiales (escala media) y volúmenes masivos de material (escala macroscópica).

Con estos modelos se pudieron predecir las prestaciones del elemento del reactor. Los trabajos experimentales complementarios sobre el comportamiento de los materiales se centraron en la creación de muestras de capa fina utilizando tres técnicas afianzadas.

Los investigadores desarrollaron dos métodos nuevos para describir las interacciones y los defectos microestructurales en materiales con interfases de múltiples capas. También definieron las fuerzas que rigen las interacciones entre los elementos atómicos de interés.

Además, desarrollaron un código informático para describir la dinámica de las dislocaciones a escala media en estructuras multilaminares, así como las normas que rigen la interacción de las interfases y los defectos inducidos por la radiación. Por último, se sintetizaron compuestos multicapa de interés y se describieron sus propiedades.

El equipo de RADINTERFACES desarrolló las herramientas de modelaje multiescala necesarias para diseñar componentes de reactores hechos con nuevos materiales multifase cristalinos que poseen propiedades de autorregeneración radicales. La aplicación de múltiples capas con amplias superficies interficiales ayudará a prevenir la dilatación iniciata en un APR, prolongando así la vída útil del reactor, reduciendo sus costes de explotación y reforzando la seguridad.

Por último, la tecnología desarrollada por este consorcio podría dar lugar a aplicaciones totalmente novedosas para la electroquímica, lo que tendría una gran repercusión en la tecnología industrial actual.

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Palabras clave

Nanociencia, energía nuclear, reactor, radiación, dilatación, termofluencia por irradiación, autorregeneración, RADINTERFACES, átomo de retroceso, electroquímica
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