Primaire stralingsschade: wat straling écht met materiaal doet
Stel je een biljarttafel voor, maar dan met atomen in plaats van ballen, netjes gerangschikt in rijen zoals in een kristalrooster. Nu schiet er ineens een razendsnel deeltje doorheen — een neutron uit een kernreactor, bijvoorbeeld. Dat deeltje botst tegen één atoom, dat atoom vliegt uit zijn plek en botst op zijn beurt tegen andere atomen. Binnen een fractie van een miljardste seconde ligt er een klein gebied overhoop: atomen die niet meer op hun plaats zitten, gaten waar ze hoorden te zitten, en atomen die ergens tussen de rijen zijn beland waar ze niet thuishoren. Dat eerste, directe effect van een botsing heet primaire stralingsschade.
Het is dus niet de straling zelf die "schade" is, maar het gevolg van de klap: verplaatste atomen op de kleinst mogelijke schaal. Deze schade is de oorzaak van bekende problemen zoals bros wordende reactorvaten, kromtrekkende splijtstofstaven en materialen die na jaren bestraling ineens veel minder sterk blijken dan verwacht. Wie kernreactoren, fusiereactoren of ruimtevaartelektronica veilig en lang wil laten meegaan, moet dus precies weten wat er op atomair niveau gebeurt zodra straling een materiaal raakt.
Wat is het precies?
Het proces begint met een energierijk deeltje: meestal een neutron (een ongeladen deeltje uit de atoomkern), maar het kan ook een ion, elektron of gammastraling zijn. Dit deeltje botst met een atoomkern in het materiaal en geeft daarbij een flinke stoot energie af. Het geraakte atoom, dat nu zelf met hoge snelheid door het rooster schiet, heet het primary knock-on atom (PKA), oftewel het "eerst weggeschoten atoom".
Dat PKA is zelf weer energiek genoeg om andere atomen te raken en weg te schieten, die op hun beurt weer andere atomen raken. Zo ontstaat in een paar honderd femtoseconden (een femtoseconde is een miljoenste van een miljardste seconde) een kettingreactie van botsingen: een displacement cascade of verplaatsingscascade. In dat piepkleine gebied, vaak niet groter dan een paar nanometer, raakt het kristalrooster tijdelijk volledig in de war.
Als het stof letterlijk neerdaalt, blijven er twee soorten puntdefecten over. Een vacature is een lege plek waar een atoom hoort te zitten. Een interstitieel atoom is een atoom dat tussen de normale roosterposities is beland. Samen vormen een vacature en een interstitieel atoom een Frenkel-paar, genoemd naar de Russische natuurkundige Jakov Frenkel die dit defecttype in de jaren dertig beschreef. Een deel van deze defecten "heelt" meteen weer vanzelf omdat vacatures en interstitiëlen elkaar opnieuw vinden; wat overblijft, is de daadwerkelijke schade.
Om schade van verschillende materialen en bestralingssituaties te kunnen vergelijken, gebruiken onderzoekers de eenheid dpa: displacements per atom, oftewel hoe vaak gemiddeld elk atoom in het materiaal van zijn plek is geschoten. Een reactorvat dat tientallen dpa heeft opgelopen, heeft dus in theorie elk atoom tientallen keren zien verplaatsen — al genezen de meeste van die verplaatsingen weer vanzelf. De berekening van dpa gebeurt met het zogeheten NRT-model (genoemd naar de onderzoekers Norgett, Robinson en Torrens, uit 1975), een vuistregel die nog altijd de industriestandaard is, ook al weten onderzoekers inmiddels dat het model de werkelijke schade enigszins overschat.
Wat wil men ermee bereiken?
Het uiteindelijke doel is simpel te formuleren: voorspellen hoe een materiaal zich gedraagt nadat het jarenlang, soms tientallen jaren, is blootgesteld aan straling — en op basis daarvan veiliger en langer meegaande installaties bouwen.
Bij bestaande kernreactoren gaat het vooral om het reactorvat van staal, dat door stralingsschade geleidelijk brosser wordt. Weten hoe snel dat proces verloopt, bepaalt hoe lang een centrale veilig open kan blijven en of oude reactoren hun levensduur veilig kunnen verlengen.
Bij toekomstige fusiereactoren is de inzet nog groter. De wand die het hete plasma omringt, en het zogeheten "mantel"-materiaal eromheen, moeten decennialang standhouden tegen een intense stroom van 14 MeV-neutronen (een energie die veel hoger ligt dan in gewone kernreactoren). Er bestaat op dit moment geen materiaal waarvan met zekerheid vaststaat dat het dat aankan. Het begrijpen en voorspellen van primaire stralingsschade is daarom een sleutelvoorwaarde om fusie-energie ooit commercieel haalbaar te maken.
Daarnaast speelt stralingsschade een rol bij de opslag van radioactief afval (houden de opslagvaten het honderden jaren vol?), bij ruimtevaartelektronica (kosmische straling beschadigt chips) en bij het ontwerpen van nieuwe, stralingsbestendige legeringen die juist wél tegen een stootje kunnen.
Voorbeelden uit de praktijk
Een aantal concrete projecten en faciliteiten laat zien hoe dit onderzoek er in de praktijk uitziet.
Bij het Oak Ridge National Laboratory in de Verenigde Staten voeren onderzoekers al sinds de jaren negentig, en steeds gedetailleerder sinds de jaren 2000, moleculaire-dynamicasimulaties uit waarin ze op de computer atoom voor atoom een cascade laten ontstaan in ijzer en staal — de basis van veel reactorstaal. Deze simulaties, met werk van onder anderen materiaalonderzoeker Roger Stoller, behoren tot de invloedrijkste in het vakgebied.
In Idaho draait de Advanced Test Reactor van het Idaho National Laboratory, waarin materiaalmonsters doelbewust jarenlang worden bestraald om versneld te simuleren wat een reactorvat in decennia meemaakt.
In Spanje wordt bij Granada gebouwd aan IFMIF-DONES (International Fusion Materials Irradiation Facility – DEMO Oriented Neutron Source), een faciliteit die met een deeltjesversneller een neutronenbundel moet opwekken die qua energie lijkt op wat in een fusiereactor ontstaat. Zulke neutronen zijn nu vrijwel nergens ter wereld in voldoende mate beschikbaar om fusiematerialen realistisch te testen — dat is precies het gat dat DONES moet opvullen.
Bij de internationale fusieproefreactor ITER in Cadarache, Frankrijk, worden zogeheten "test blanket modules" ontwikkeld en getest: stukken mantelmateriaal die in de reactor worden geplaatst om te zien hoe ze reageren op de bestraling van een echt (zij het nog beperkt) fusieplasma.
Ook in Nederland is er een lange traditie op dit vlak: bij onderzoeksinstelling NRG in Petten werd decennialang materiaalonderzoek met neutronenbestraling uitgevoerd in de Hoge Flux Reactor. Voor de toekomst van dit type onderzoek in Nederland wordt gekeken naar de geplande opvolger, de Pallas-reactor.
Hoe ver is de techniek?
Het begrijpen van primaire stralingsschade zelf — de eerste femtoseconden van een cascade — staat inmiddels behoorlijk stevig, dankzij decennia aan computersimulaties en experimenten met deeltjesversnellers. Onderzoekers kunnen met moleculaire-dynamicamodellen redelijk betrouwbaar voorspellen hoeveel Frenkel-paren een botsing van een bepaalde energie oplevert in een bepaald materiaal.
De grote onzekerheid zit in de stap daarna: wat er in de jaren en decennia ná die eerste botsingen gebeurt, wanneer defecten zich verzamelen, samenklonteren en het materiaal geleidelijk laten zwellen, verharden of verbrokkelen. Dat proces speelt zich af over tijdschalen die je onmogelijk direct kunt simuleren op atomair niveau, dus onderzoekers moeten schakelen tussen modellen op verschillende schalen — van individuele atomen tot het gedrag van een heel onderdeel. Die "multischaal-modellering" blijft een van de grootste technische knelpunten in het vak.
Een tweede obstakel is puur praktisch: om te weten hoe een fusiemateriaal zich na dertig jaar bestraling gedraagt, zou je het dertig jaar moeten bestralen. Omdat dat te lang duurt, gebruiken onderzoekers vaak ionenbestraling als versnelde "stand-in" voor neutronenschade, maar de vertaalslag tussen ionschade en echte neutronschade is niet één-op-één en blijft onderwerp van discussie. Faciliteiten als IFMIF-DONES moeten dit gat dichten, maar zijn zelf nog in aanbouw en nog niet operationeel; een concrete openingsdatum ligt dan ook nog niet vast.
Kortom: de fundamentele natuurkunde van primaire stralingsschade is redelijk goed begrepen, maar het vertalen daarvan naar betrouwbare voorspellingen over materialen die tientallen jaren meemoeten in een fusiereactor, is nog een openstaand en actief onderzoeksveld.
Wie werken eraan?
Het onderzoek is sterk internationaal en verdeeld over nationale laboratoria, universiteiten en internationale samenwerkingsverbanden. In de Verenigde Staten spelen het Oak Ridge National Laboratory en het Idaho National Laboratory een centrale rol, met steun van het Amerikaanse ministerie van Energie. Het Internationaal Atoomenergieagentschap (IAEA) coördineert wereldwijd kennisuitwisseling over materiaalgedrag onder straling voor bestaande kernreactoren.
Voor fusie-energie is de Europese samenwerking EUROfusion de belangrijkste onderzoeksparaplu, met deelnemende instituten uit vrijwel alle EU-lidstaten, gericht op de voorbereiding van de demonstratiereactor DEMO die op ITER moet volgen. Het IFMIF-DONES-project bij Granada wordt getrokken door een Europees-Japans consortium, met Spanje als gastland. In Nederland draagt NRG in Petten al decennialang bij aan internationaal materiaalonderzoek met neutronenbestraling.
Daarnaast doen ook Japan (met onder meer het Japanse atoomenergieagentschap JAEA) en toezichthouders zoals de Amerikaanse Nuclear Regulatory Commission (NRC) onderzoek naar stralingsschade, vooral gericht op de veiligheid en levensduurverlenging van bestaande kernreactoren.