Forskere bruger ionacceleration til at simulere reaktorlignende forhold i metalliske legeringer

Metaller rejser frem i tiden i Ion Accelerator Laboratory, en facilitet inden for Texas A&M University's Department of Nuclear Engineering og forskere inden for afdelingens Ion Beam Laboratory-gruppe er i gang med at fremskynde uret på metalliske legeringer og stål.

Forskerne bruger ioner som surrogater for neutronstråling for på kort tid at se, hvor stabile disse metaller er, efter at de har udholdt betingelser fra årtiers brug inde i en atomreaktor.

"Vi tager i bund og grund disse legeringer og bestråler med ioner for at opnå skader set under reaktorlignende forhold, " sagde Jonathan Gigax, en uddannet assisterende forsker, der arbejder under laboratoriets hovedefterforsker, Lektor Dr. Lin Shao. "Dette er vigtigt, fordi det i de nuværende reaktoranlæg tager årtier at nå de niveauer af slid og ælde, som disse metaller vil se i næste generations reaktorer. Så vi bruger ionacceleratorer, fordi de kan nå det meget hurtigere."

Ifølge Gigax, der er en række forskelle mellem ion- og neutronbestråling, der forhindrer en-til-en sammenligninger. Imidlertid, talrige tidlige undersøgelser og nyere undersøgelser viser, at visse adfærd er meget ens i begge miljøer. Dette hjælper med at kvalificere teknikken og giver forskere mulighed for hurtigt at screene et stort antal kandidatlegeringer. Resultaterne giver en forståelse af de unikke egenskaber, der gør visse legeringer strålingsmodstandsdygtige, så nye legeringer kan udvikles til brug i reaktorbyggeri og hjælper med at opnå en effektiv udnyttelse af reaktorens brændsel. For at opnå optimal effektivitet skal reaktoren arbejde ved høj forbrænding, hvilket belaster metallerne og legeringerne i reaktoren. For at opnå højeffektiv brændstofforbrænding, legeringer, der kan modstå mikrostrukturelle ændringer fra beskadiget neutronstråling, også kendt som krybning og hævelse, er nødvendige for at sikre en lang levetid for reaktoren.

"Et godt eksempel på krybningsfænomener ville være en glødetråd i en glødepære, " Gigax sagde. "Glødetråden forbliver ved en meget høj temperatur i lang tid og deformeres langsomt, indtil den går i stykker. Det samme kan ske med stål ved høje temperaturer eller under store spændinger, så tanken var, at vi skulle udvikle en legering, der ikke udviser kryb i stort omfang."

Stålene brugt i reaktoren, som følge af krybning og hævelse, undergår deformation og ændrer reaktorens driftsadfærd. Enkeltkrystalmetaller er modstandsdygtige over for krybning, men er dyre at fremstille og udviser typisk mere hulrumshævelse end polykrystallinske modstykker. Meget små korn giver bedre kvældningsmodstand, men gør stålet modtageligt for krybning.

Gigax sammenligner fænomenerne med sand i et timeglas, hvor sandkornene er meget fine og i stand til at flyde fra den ene ende af timeglasset til den anden. Metaller med små korn er mere modtagelige for krybning, fordi kornene lettere kan bevæge sig ved høje temperaturer og under stress, især når de bliver bombarderet af neutroner, i modsætning til større korn, der giver mere modstand. For at løse dette problem, oxider kan legeres ind i metallet for at fastgøre disse grænser og gøre bevægelsen af ​​disse korn vanskeligere, samtidig med at fordelene ved en finkornet struktur bevares med hensyn til hulrumshævelse. Ifølge Gigax, dette ville svare til at sætte nogle sandkorn på plads i timeglasset, forhindrer kornene i at bevæge sig.

"Når du får alle disse resultater, der er to ting vi kan gøre, " sagde Gigax. "Vi kan se på, hvad der gør en legering bedre end de andre og derefter guide den videre udvikling af den legering baseret på dens positive egenskaber, eller når du først har identificeret en god legering, kan du dedikere ressourcer til at få den sat inde i en atomreaktor for at teste den under de nøjagtige forhold."

Gennem brugen af ​​ionacceleratorer, tids- og omkostningsforpligtelsen til reaktortestning er dramatisk reduceret, gør det muligt for forskningen at udvikle sig effektivt. Ud over at sikre en længere levetid og holdbarhed af disse reaktormaterialer, disse applikationer har også fordele for forbrugeren.

"Vi bidrager til nationens energibehov, " sagde Gigax. "Ved at bidrage til udviklingen af ​​materialer, der kan modstå den ekstra strålingsbelastning ved at arbejde ved højere, mere effektiv brændstofforbrænding, hvilket betyder mere energiproduktion pr. brændstofkilde, vi hjælper med at gøre billigere og mere tilgængelig energi til den gennemsnitlige forbruger."

Forskningen er finansieret af det amerikanske energiministerium, hvis interesse for dette projekt efterlader Gigax med en følelse af, at han og andre på forskerholdet laver positivt arbejde, der gavner det større samfund.

"Meget af vores finansiering kommer fra offentlige kilder, " Gigax sagde. "Hele idéen her er, at ved at få finansieret gennem disse projekter er vi meget servicemindede over for samfundets interesser, og at det passer godt til Aggie Spirit. Som Aggies, det er godt at føle, at vi tjener samfundets interesser."