Til ingeniørernes overraskelse, stråling kan bremse korrosion af nogle materialer

Stråling nedbryder næsten altid de materialer, der udsættes for det, fremskynde deres forringelse og kræve udskiftning af nøglekomponenter i højstrålingsmiljøer såsom atomreaktorer. Men for visse legeringer, der kunne bruges i fissions- eller fusionsreaktorer, det modsatte viser sig at være sandt:Forskere ved MIT og i Californien har nu fundet ud af, at i stedet for at fremskynde materialets nedbrydning, stråling forbedrer faktisk dens modstand, potentielt fordoble materialets brugstid.

Fundet kan være en velsignelse for nogle nye, banebrydende reaktordesign, herunder smeltet-salt-kølede fissionsreaktorer, og nye fusionsreaktorer såsom ARC-designet, der udvikles af MIT og Commonwealth Fusion Systems.

Fundet, hvilket kom som en overraskelse for atomforskere, er rapporteret i dag i bladet Naturkommunikation , i et papir af MIT professor i nuklear videnskab og teknik Michael Short, kandidatstuderende Weiyue Zhou, og fem andre ved MIT og ved Lawrence Berkeley National Laboratory.

Short siger, at opdagelsen var en smule serendipity; faktisk, forskerne søgte at kvantificere den modsatte effekt. I første omgang ønskede de at bestemme, hvor meget stråling der ville øge korrosionshastigheden i visse legeringer af nikkel og krom, der kan bruges som beklædning til nukleare brændselssamlinger.

Forsøgene var svære at udføre, fordi det er umuligt at måle temperaturer direkte ved grænsefladen mellem det smeltede salt, bruges som kølemiddel, og metallegeringsoverfladen. Det var derfor nødvendigt at finde ud af forholdene indirekte ved at omgive materialet med et batteri af sensorer. Lige fra starten, selvom, testene viste tegn på den modsatte effekt - korrosion, hovedårsagen til materialefejl i det barske miljø i en reaktorbeholder, syntes at blive reduceret snarere end accelereret, når den blev badet i stråling, i dette tilfælde en høj flux af protoner.

"Vi gentog det dusinvis af gange, med forskellige forhold, "Short siger, "og hver gang fik vi de samme resultater" viser forsinket korrosion.

Den slags reaktormiljø, holdet simulerede i deres eksperimenter, involverer brugen af ​​smeltet natrium, lithium, og kaliumsalt som kølemiddel til både nukleare brændselsstave i en fissionsreaktor og vakuumbeholderen, der omgiver en superhot, hvirvlende plasma i en fremtidig fusionsreaktor. Hvor det varme smeltede salt er i kontakt med metallet, korrosion kan finde sted hurtigt, men med disse nikkel-chrom legeringer fandt de ud af, at korrosionen tog dobbelt så lang tid at udvikle sig, når materialet var badet i stråling fra en protonaccelerator, producere et strålingsmiljø svarende til det, der ville blive fundet i de foreslåede reaktorer.

At være i stand til mere præcist at forudsige den brugbare levetid for kritiske reaktorkomponenter kan reducere behovet for forebyggende, tidlig udskiftning af dele, siger Short.

Omhyggelig analyse af billeder af de berørte legeringsoverflader ved hjælp af transmissionselektronmikroskopi, efter bestråling af metallet i kontakt med smeltet salt ved 650 grader Celsius, (en typisk driftstemperatur for salt i sådanne reaktorer), hjalp med at afsløre mekanismen, der forårsagede den uventede virkning. Strålingen har en tendens til at skabe flere små defekter i strukturen af ​​legeringen, og disse defekter gør det muligt for metallets atomer at diffundere lettere, strømmer ind for hurtigt at udfylde de tomrum, der bliver skabt af det ætsende salt. Træde i kræft, strålingsskaden fremmer en slags selvhelbredende mekanisme i metallet.

Der havde været antydninger af en sådan effekt for et halvt århundrede siden, når eksperimenter med en tidlig eksperimentel saltkølet fissionsreaktor viste lavere end forventet korrosion i dens materialer, men årsagerne til det var forblevet et mysterium indtil dette nye værk, siger Short. Selv efter dette holds indledende eksperimentelle resultater, Short siger, "det tog os meget længere tid at forstå det."

Opdagelsen kan være relevant for en række foreslåede nye designs til reaktorer, der kunne være sikrere og mere effektive end eksisterende designs, siger Short. Adskillige designs til saltkølede fissionsreaktorer er blevet foreslået, inklusive en af ​​et hold ledet af Charles Forsberg, en hovedforsker i MIT's afdeling for nuklear videnskab og teknik. Resultaterne kan også være nyttige for adskillige foreslåede designs til nye former for fusionsreaktorer, der aktivt forfølges af startup-virksomheder, som rummer potentialet for at levere elektricitet uden drivhusgasemissioner og langt mindre radioaktivt affald.

"Det er ikke specielt for et design, "Short siger. "Det hjælper alle."

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.