Mod sikrere, atomreaktorer med lang levetid-metaldesign kan øge strålingsresistensen med 100 gange

I fund, der kan ændre den måde, industrier som atomkraft og rumfart leder efter materialer, der kan klare strålingseksponering, University of Michigan forskere har opdaget, at metallegeringer med tre eller flere elementer i lige store koncentrationer kan være bemærkelsesværdigt resistente over for stråleinduceret hævelse.

Det store problem, som metaller, der er bombarderet med stråling ved høje temperaturer - f.eks. De metaller, der udgør beklædning med atombrændstof - står over for, er, at de har en tendens til at svulme op betydeligt. De kan endda fordobles.

"Først, det kan forstyrre andre dele i strukturen, men også når det svulmer op, materialets styrke ændres. Materialetætheden falder, "sagde Lumin Wang, U-professor i atomteknik og radiologiske videnskaber. "Det kan blive blødt ved høje temperaturer eller hærde ved lave temperaturer."

Dette sker, fordi når en partikel flyver ind i metallet og slår et atom ud af krystalstrukturen, det fordrevne atom kan rejse hurtigt gennem den metalliske krystal. I mellemtiden, det tomme rum, der er tilbage, bevæger sig ikke særlig hurtigt. Hvis mange atomer fordrives fra det samme område, disse tomme rum kan samles i betydelige hulrum.

For at kontrollere dannelsen af ​​disse hulrum, og ledsagende hævelse, den seneste forskning har fokuseret på at skabe mikro- og nanostrukturer inde i metallet som specialdesignede "dræn" til at absorbere små defekter på en måde, der bevarer materialets integritet. Men Wang og hans kolleger sparker til det gamle skole, ser på legeringer, der ikke har brud på atomernes krystalstruktur.

Kolleger ved Oak Ridge National Laboratory i Tennessee skabte prøver af en række nikkelbaserede legeringer. Disse blev derefter udsat for stråling i et anlæg ved University of Tennessee. De mest succesrige legeringer var koncentrerede faste opløsninger - krystaller fremstillet af lige store dele nikkel, kobolt og jern; eller nikkel, kobolt, jern, krom og mangan.

"Disse materialer har mange gode egenskaber som styrke og sejhed, og nu kan vi tilføje strålingstolerance, "sagde Chenyang Lu, en UM postdoktor i atomteknologi og radiologiske videnskaber og den førende forfatter til rapporten i Naturkommunikation .

I et forsøg foreslået af Wang, UT -forskere udsatte prøverne for stråler af stråling, der skabte to niveauer af skader, ligner det, der kan akkumuleres i en reaktorkerne over flere år og over flere årtier. Disse eksperimenter blev udført ved en temperatur på 500 Celsius eller 932 Fahrenheit-en temperatur, hvor nikkelbaserede legeringer normalt er tilbøjelige til at hæve.

Disse prøver blev analyseret på U-M's Center for Materialkarakterisering med et transmissionselektronmikroskop. Teamet fandt ud af, at sammenlignet med ren nikkel, de bedste legeringer havde mere end 100 gange mindre strålingsskader.

For at forklare, hvad der var specielt ved disse legeringer, holdet arbejdede tæt sammen med gruppen af ​​Fei Gao, en teoretiker og U-M professor i atomteknik og radiologiske videnskaber. Gaos gruppe udførte computersimuleringer på niveau med individuelle atomer og viste, at strålingstolerancen i denne gruppe af legeringer kan tilskrives den måde, de forskudte atomer bevæger sig inden i materialet. Forklaringen blev yderligere bekræftet af et andet sæt eksperimenter udført af teamet ved University of Wisconsin.

"I forenklede vendinger, hvis der er mange atomer i forskellige størrelser, du kan betragte dem bump eller huller, "Sagde Wang." Så denne fejl vil ikke rejse så problemfrit. Det vil hoppe rundt og bremse. "

Fordi de fordrevne atomer og hullerne i krystalstrukturen holdt sig tæt på hinanden, de var meget mere tilbøjelige til at finde hinanden. Træde i kræft, dette reparerede mange af de ledige stillinger i de komplicerede legeringer, før de kunne slutte sig sammen til større hulrum.

"Baseret på denne undersøgelse, vi forstår nu, hvordan man udvikler en strålingstolerant matrix af en legering, "Sagde Wang.

Studiet, med titlen "Forbedring af strålingstolerance ved at kontrollere defekte mobilitet og migrationsveje i multikomponent enkeltfasede legeringer, "vises i Naturkommunikation .