Amerikaanse röntgenopstelling test kernreactormateriaal in uren in plaats van dagen

Materialen voor kernreactoren van de toekomst moeten decennialang bestand zijn tegen straling, hitte en mechanische slijtage. Om te begrijpen hoe die materialen precies verouderen, moeten wetenschappers ze grondig onderzoeken — en dat kostte tot nu toe vaak dagen. Onderzoekers van het Amerikaanse Brookhaven National Laboratory hebben die tijd teruggebracht tot ongeveer zes uur, met een nieuwe meetopstelling die vier röntgentechnieken combineert. De resultaten zijn gepubliceerd in het Journal of Synchrotron Radiation.

Vier metingen tegelijk

De opstelling staat bij de X-ray Powder Diffraction-bundellijn van de National Synchrotron Light Source II, een deeltjesversneller die extreem fel röntgenlicht opwekt. Normaal moesten onderzoekers een materiaalmonster langs verschillende apparaten verplaatsen om alle eigenschappen in kaart te brengen. Dat kostte niet alleen tijd, maar maakte het ook moeilijk om exact hetzelfde stukje materiaal onder verschillende omstandigheden te vergelijken.

De nieuwe opstelling combineert vier technieken op één plek. Röntgenabsorptietomografie brengt dichtheidsverschillen in beeld, zoals scheurtjes en holtes. Röntgenfluorescentie speurt naar de chemische samenstelling en laat zien waar welk element zich bevindt. Via röntgendiffractie wordt de ordening van atomen in kristallijne gebieden gemeten, terwijl een vierde techniek — de paardistributiefunctie — juist de wanordelijke, niet-kristallijne delen ontrafelt. Al deze metingen gebeuren zonder het materiaal te beschadigen, via tomografie: een manier om in lagen naar binnen te kijken zonder iets open te snijden.

Een bundel dunner dan een haar

Om dit voor elkaar te krijgen, bundelen de onderzoekers harde röntgenstraling tot een lichtstraal van slechts 15 micron breed — ongeveer een kwart van de dikte van een mensenhaar. Deze hoogenergetische straling kan dwars door zware, dichte materialen heen, zoals reactorstaal en radioactieve splijtstoffen op basis van uranium. De smalle bundel maakt het mogelijk om zowel goed georganiseerde als rommelige zones in één reactormateriaal nauwkeurig te meten.

Volgens Simerjeet Gill, vicevoorzitter van de afdeling Nucleaire Wetenschap en Beveiliging van Brookhaven en coauteur van het onderzoek, is het grote voordeel dat de vier technieken gelijktijdig chemische veranderingen kunnen koppelen aan veranderingen in sterkte en brosheid van het materiaal. Juist die relatie tussen structuur, samenstelling en eigenschappen is cruciaal om te bepalen of een materiaal geschikt is voor gebruik in een reactor.

Op weg naar dertig minuten

Om de opstelling te testen, maakten de onderzoekers een controlemonster met poeders en metaaldraden van verschillende diameters en samenstellingen. Binnen zes uur kon het systeem tegelijk de atomaire posities, de verdeling van elementen en de fysieke grenzen in het materiaal vastleggen. De onderzoekers werken nu aan nieuwe detectoren die de scanduur verder moeten terugbrengen tot minder dan dertig minuten.

De toepassing blijft niet beperkt tot kernenergie. Dezelfde opstelling is al gebruikt om poreuze filtermaterialen voor waterzuivering te onderzoeken en om te bestuderen hoe batterijen intern veranderen tijdens het opladen. Snellere en grondigere materiaaltests kunnen zo niet alleen de ontwikkeling van nieuwe kernreactoren versnellen, maar ook bijdragen aan betere batterijen en filtersystemen.