Zespół naukowców z Instytutu Technologii Materiałów Elektronicznych i Instytutu Problemów Jądrowych w Świerku stworzył nowatorski model teoretyczny powstawania mikrouszkodzeń w materiałach poddanych promieniowaniu. Model ten pozwala precyzyjnie analizować przebieg i charakter zmian zachodzących w substancjach wystawionych na radiację.
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" - mówi prof. Jacek Jagielski (IPJ, ITME).
Model znajduje również zastosowania poza energetyką jądrową, m.in. przy produkcji układów scalonych i tworzeniu materiałów o niecodziennych własnościach. 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 prof. Jagielski. 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" - mówi prof. Jagielski.
Wiedza o defektach powstających w materiałach w wyniku oddziaływania z promieniowaniem jest szczególnie istotna w reaktorach jądrowych nowych generacji - takich, jakie wkrótce zostaną zakupione przez Polskę. 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 paliwo takie 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. Polski model defektów radiacyjnych już zdobył uznanie naukowców z całego świata, w tym autorów wcześniejszych modeli. Opisująca go praca została wyróżniona jako "research highlight" przez "Journal of Applied Physics" w październiku 2009 roku. 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.
