Od superuszczelek do detekcji niebezpiecznych kabli dzięki wiązkom jonów

Gdy rozpędzone neutrony bądź jony bombardują materiał, jego warstwa powierzchniowa ulega dramatycznym przekształceniom fizycznym i chemicznym. W Narodowym Centrum Badań Jądrowych udało się szczegółowo poznać procesy zachodzących w takich sytuacjach w polimerach. Zgromadzoną wiedzę fizycy wykorzystali do stworzenia metody produkcji superuszczelek, zaproponowali także prosty i szybki sposób detekcji niebezpiecznych kabli, których polimerowa izolacja zaczyna tracić właściwości izolujące.

Bezpieczna i niezawodna praca reaktorów jądrowych, a w przyszłości także termojądrowych, ściśle zależy od jakości ich okablowania. Z badań przeprowadzonych w Narodowym Centrum Badań Jądrowych (NCBJ) w Świerku wynika jednak, że polimerowe izolacje kabli, przez dekady wystawione na duże dawki promieniowania, stopniowo tracą właściwości izolacyjne. Grupa fizyków z NCBJ, kierowana przez prof. dr. hab. Jacka Jagielskiego, nie tylko poznała szczegóły tego procesu, ale także zaproponowała prostą w użyciu technikę detekcji niebezpiecznych kabli. Zespół prof. Jagielskiego od dłuższego czasu zajmuje się zagadnieniami związanymi z modyfikowaniem warstwy powierzchniowej materiałów za pomocą wiązek jonów. Kilka lat temu uwagę warszawskich badaczy przyciągnęły polimerowe uszczelnienia. Jedna z polskich firm przeżywała wówczas kłopoty z powodu uszczelki w produkowanym sprzęcie wojskowym. Maszyny były eksportowane do państwa o klimacie tropikalnym i deszczowym. Uszczelki w silnikach, w Polsce działające bez większych problemów, w nowych warunkach zaczynały się przegrzewać i przeciekały. Tymczasem kontrakt wymuszał na producencie wymianę całego niesprawnego zespołu napędowego. Z powodu jednej uszczelki!

Przegrzewanie się uszczelek stosowanych w ruchomych mechanizmach to konsekwencja dużego współczynnika tarcia polimerów, z których na ogół są wykonane. Grupa prof. Jagielskiego postanowiła więc sprawdzić, czy napromienianie jonami wpływa na współczynnik tarcia. Okazało się, że wskutek bombardowania cienka warstwa powierzchniowa polimeru, grubości mniej więcej jednego mikrometra, znacznie twardnieje. Jej współczynnik tarcia malał nawet dziesięciokrotnie – i to mimo faktu, że szybko pokrywała się ona siecią pęknięć.

Znacząca redukcja wartości współczynnika tarcia polimerowych uszczelek oznacza w praktyce zmniejszenie oporów ruchu elementów mechanicznych. Mechanizmy wyposażone w zmodyfikowane uszczelki będą więc pracować nie tylko dłużej, ale i wydajniej, zwłaszcza że spękania powierzchni można wykorzystać w charakterze zasobników smaru. W pewnych przypadkach, jak np. siłowniki pneumatyczne, urządzenia te mogą pracować szybciej, co prowadzi do zwiększenia wydajności produkcji.

„W trakcie badań nad uszczelnieniami zauważyliśmy, że wskutek defektów radiacyjnych zaczynają się zmieniać właściwości elektryczne polimerów”, mówi prof. Jagielski. „Naturalne wydało się więc postawienie kolejnego pytania: co się dzieje z izolacjami kabli narażonych na promieniowanie, skoro ich izolacja też jest robiona z polimerów?”, Zagadnienie może wydawać się niszowe, nabiera jednak innego znaczenia w czasach, gdy ponownie zaczyna się doceniać efektywność i bezpieczeństwo energetyki jądrowej. Współczesne elektrownie jądrowe projektuje się bowiem z myślą o przynajmniej 60 latach pracy, coraz częściej z możliwością przedłużenia do stu. Jednocześnie każdy reaktor trzeba wyposażyć w kilkanaście tysięcy kilometrów mniejszych i większych kabli. Część z nich przez dziesiątki lat będzie narażona na bombardowanie neutronami uwalnianymi w trakcie reakcji jądrowych. Pytanie o losy gwarantujących ich izolację polimerów staje się w tej sytuacji pytaniem o bezpieczeństwo energetyczne milionów ludzi.

W reaktorach jądrowych materiały są wystawione na działanie neutronów i promieniowania gamma. Za przytłaczającą większość defektów powstających w napromieniowanym materiale nie odpowiadają jednak bezpośrednio neutrony czy fotony, lecz wybite przez nie atomy lub zerwane wiązania atomowe. W praktyce defekty materiałowe wywołane przez neutrony nie różnią się więc zasadniczo od tych zainicjowanych przez jony. Zamiast prowadzić kłopotliwe badania w reaktorze, zespół z NCBJ mógł skorzystać z prototypowego przemysłowego implantatora jonów własnej konstrukcji.

Napromieniowaniu poddano takie materiały izolacyjne jak polichlorek winylu (PVC), teflon (PTFE) oraz różne odmiany gumy (naturalną, EPDM, NBR, SBR). Badaczy interesował skład chemiczny zmodyfikowanej warstwy powierzchniowej, jej budowa fizyczna i topografia powierzchni. Wyniki pomiarów i płynące z nich wnioski właśnie zaprezentowano w obszernym artykule opublikowanym na łamach czasopisma fizycznego „Journal of Applied Physics”.

„Polimery składają się głównie z węgla i wodoru”, wyjaśnia doktorantka Anna Kosińska, pierwsza autorka wspomnianego artykułu. „Wiązania między tymi pierwiastkami należą do najsłabszych i podczas bombardowania szybkimi jonami ulegają zerwaniu. Uwolniony atom wodoru wyłapuje z otoczenia swojego kolegę i w formie cząsteczkowej ucieka z materiału do otoczenia. Zostaje amorficzny węgiel przypominający adamantyt, który jest w stanie przewodzić prąd. Wszystko to razem oznacza, że polimerowa izolacja kabli wystawionych na działanie promieniowania z czasem traci własności izolacyjne!”.

Uwagę fizyków z NCBJ zwrócił fakt, że wskutek uwalniania się wodoru warstwa powierzchniowa polimeru zaczyna się kurczyć. W rezultacje staje się bardziej gęsta od pierwotnej i nawet do dziesięciu razy twardsza niż pierwotnie. Drobiazgowe badania pozwoliły ustalić, że między zmianami we właściwościach mechanicznych izolacji kabla a jej oporem elektrycznym istnieje wyraźna korelacja. Aby stwierdzić, czy izolacja pełni swoje funkcje, wystarczy więc zmierzyć twardość izolacji kabla za pomocą ręcznego twardościomierza.

„Zdajemy sobie sprawę, że zaproponowana przez nas metoda wykrywania zmian oporności elektrycznej polimerowych izolacji nie jest idealnie precyzyjna. Ma jednak bardzo istotne zalety użytkowe: jest prosta, szybka i pozwala praktycznie natychmiast ustalić, czy badany kabel zaczyna być niebezpieczny”, podsumowuje prof. Jagielski.

Badania nad zmianami właściwości polimerowych izolacji zostały sfinansowane ze środków Narodowego Centrum Badań i Rozwoju.

PUBLIKACJE NAUKOWE:
„Structural and chemical changes in He+ bombarded polymers and related performance properties”
A. Kosińska, J. Jagielski, D. M. Bieliński, O. Urbanek, M. Wilczopolska, M. Frelek-Kozak, A. Zaborowska, E. Wyszkowska, I. Jóźwik
Journal of Applied Physics 132, 074701 (2022)
DOI: https://doi.org/10.1063/5.0099137

ILUSTRACJE:

Zdjecie:
Anna Kosińska, pierwsza autorka pracy, przy aparaturze pomiarowej w NCBJ. (foto: NCBJ)

Obraz SEM:
Na obrazach SEM widoczne są przekroje poprzeczne elastomerów NBR i SBR poddane działaniu wiązki jonów He + o fluencji 1x10¹⁷ cm-2. Na obrazach przełomów wyraźnie widoczna jest naświetlana jonami warstwa wierzchnia. Zauważyć można pęknięcia i płynne przejście warstwy do rdzenia, który nie uległ modyfikacji wiązką jonów. Naświetlanie wiązkami jonów powoduje modyfikacje struktury i właściwości funkcjonalnych warstwy wierzchniej elastomerów. Rdzeń materiału, do którego nie docierają jony, pozostaje elastyczny i może napinać sztywną warstwę wierzchnią, podlegającą skurczowi, co powoduje powstawanie na niej pęknięć. Ze wzrostem fluencji jonów zwiększa się skurcz materiału co sprawia, że powiększa się zarówno długość, jak i szerokość pęknięć. (Credit: NCBJ)