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Utilizado nas tubulações de usinas nucleares, o níquel tem suas fraquezas. Para reforçá-lo, cientistas estão reunindo uma liga de vingadores metálicos.

Enquanto a exposição a radiação dá superpoderes no mundo dos quadrinhos, um banho de radioatividade resulta em superfraquezas no mundo real. Nem os metais usados nas usinas nucleares escapam. Usado em encanamentos de usinas nucleares, o níquel tem a perigosa tendência de inchar e ficar esburacado com o passar dos anos.

O inchaço deve-se às altas temperaturas, mas a “níquelporose” é algo mais difícil de controlar. O que acontece é que as partículas altamente energéticas que emanam do combustível nuclear deslocam átomos da estrutura cristalina do níquel. Não haveria problema se esse tipo de desgaste atômico fosse igualmente distribuído pelo interior das peças de níquel. Só que não é bem assim: alguns pontos da estrutura cristalina do metal perdem tantos átomos que formam-se pequenos poros, que logo viram cavidades. Mesmo que sejam microscópios, esses buraquinhos são tão numerosos que enfraquecem a peça de níquel. Para manter a segurança, ela precisa ser trocada de tempos em tempos, num processo caro e delicado que resulta em lixo nuclear.

Poros causados por bombardeamento radioativo em amostra de níquel puro. [Imagem: Universidade de Michigan/divulgação]

Atualmente, físicos de materiais estão quebrando a cabeça para resolver esse problema com o uso de micro e nanoestruturas capazes de conter essas bolhas causadas pela radiação. No entanto, os pesquisadores das Universidades do Michigan (U-M) e do Tennessee (UT) estão colaborando numa abordagem mais simples: reforçar o níquel por meio de ligas metálicas. Para isso, o professor de engenharia nuclear da U-M, Lumin Wang, começou a procurar ligas metálicas de níquel cuja estrutura cristalina não tenha tantas falhas.

Após sintetizar amostras de diversas ligas baseadas em níquel, Wang mandou-as para a UT, onde foram expostas a feixes de radiação de duas intensidades diferentes, que simularam diferentes níveis de danos — como os que se observam após alguns anos e após algumas décadas. Para levar em conta o fator da expansão térmica, os experimentos foram conduzidos a 500º.C, temperatura na qual as ligas de níquel começam a inchar.

Depois de irradiadas no Tennessee, as amostras voltaram a Michigan, onde foram analisadas sob um microscópio de transmissão eletrônica para verificar o tamanho e a quantidade das cavidades que apareceram. Os resultados mostraram as melhores soluções de sólido concentrado eram as ligas feitas de partes iguais de níquel, cobalto e ferro (NiCoFe); e níquel-cobalto-ferro-crômio-manganês (NiCoFeCrMn). Comparadas ao níquel puro, essas amostras tiveram danos até 100 vezes menores. Os resultados foram publicados em 15/12 na Nature Communications.

Mas como essas ligas da justiça de níquel resistiram tão bem? Para entender isso, foi necessária a colaboração do professor Fei Gao, também da U-M. O grupo de Gao realizou simulações computacionais a nível atômico e percebeu que a tolerância à radiação devia-se à forma como os átomos deslocados transitavam pelo material. Enquanto o níquel puro era uma estrada asfaltada perfeitamente lisa, perfeita para átomos fugirem em alta velocidade, as ligas NiCoFe e NiCoFeCrMn eram como estradinhas rurais esburacadas para os átomos deslocados: eles saíam do lugar, mas não iam muito longe. Com isso, as cavidades foram muito menores e os danos, muito mais confinados.

Boa sorte tentando encontrar cavidades atômicas nessa amostra de NiCoFeCrMn. [Imagem: Universidade de Michigan/divulgação]

Se confirmada em escala industrial, a durabilidade das ligas identificadas por Wang et. al. vai permitir a fabricação de peças mais resistentes para as usinas nucleares, que se tornarão mais seguras a longo prazo — e com menos lixo nuclear.

Referência

rb2_large_gray25Chenyang Lu et al. Enhancing radiation tolerance by controlling defect mobility and migration pathways in multicomponent singlephase alloys [Melhorando a tolerância à radiação por controle de trajetórias de migração e mobilidade de defeitos em ligas multicomponentes de fase única], Nature Communications (2016). DOI:10.1038/ncomms13564

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