Nuklear engineering forskere udvikler ny elastisk oxiddispersion styrket legering

Forskere fra Texas A&M University har for nylig vist overlegen ydeevne af en ny oxiddispersion-forstærket (ODS) legering, de udviklede til brug i både fissions- og fusionsreaktorer.

Dr. Lin Shao, professor ved Institut for Nuklear Engineering, arbejdet sammen med forskere ved Los Alamos National Laboratory og Hokkaido University for at skabe den næste generation af højtydende ODS-legeringer, og indtil videre er de nogle af de stærkeste og bedst udviklede metaller på området.

ODS-legeringer består af en kombination af metaller blandet med små, oxidpartikler i nanometerstørrelse og er kendt for deres høje krybemodstand. Det betyder, at når temperaturen stiger, materialerne holder deres form i stedet for at deformeres. Mange ODS-legeringer kan modstå temperaturer op til 1, 000 C og bruges typisk i kraftproduktion og motorer inden for rumfartsteknik, samt bestik.

Det nukleare samfund har et stort behov for pålidelige og holdbare materialer til at udgøre kernekomponenterne i atomreaktorer. Materialet skal have høj styrke, strålingstolerant og modstandsdygtig over for hulrumshævelse (materialer udvikler hulrum, når de udsættes for neutronstråling, fører til mekaniske fejl).

Atomforskere som Shao søger konsekvent at identificere kvalitets krybe- og kvældningsbestandige materialer til deres brug i højtemperaturreaktorer.

"Generelt, ODS-legeringer bør være modstandsdygtige over for hævelse, når de udsættes for ekstrem neutronbestråling, " sagde Shao. "Men størstedelen af ​​kommercielle ODS-legeringer er problematiske fra begyndelsen."

Dette skyldes, at næsten alle kommercielle ODS-legeringer er baseret på den ferritiske fase. Ferritiske legeringer, klassificeret efter deres krystallinske struktur og metallurgiske adfærd, har god duktilitet og rimelig høj temperaturstyrke. Imidlertid, den ferritiske fase er den svageste fase, når den vurderes ud fra dens hævelsesmodstand, derfor får de fleste kommercielle ODS-legeringer til at svigte i den første forsvarslinje.

Shao, kendt internationalt for sit banebrydende arbejde inden for strålingsmaterialevidenskab, leder acceleratorlaboratoriet til at teste legeringer under ekstreme bestrålingsforhold. Shao og hans forskerhold samarbejdede med den japanske forskningsgruppe på Hokkaido Universitet ledet af Dr. Shigeharu Ukai for at udvikle forskellige nye ODS-legeringer.

"Vi besluttede at udforske et nyt designprincip, hvor oxidpartikler er indlejret i den martensitiske fase, hvilket er bedst til at reducere tomrumshævelse, snarere end den ferritiske fase, " sagde Shao.

De resulterende ODS-legeringer er i stand til at overleve op til 400 forskydninger pr. atom og er nogle af de mest succesrige legeringer, der er udviklet i feltet, både hvad angår højtemperaturstyrke og overlegen kvældningsmodstand.

Detaljer om det komplette projekt blev offentliggjort i Journal of Nuclear Materials sammen med den seneste undersøgelse. Holdet har siden gennemført flere undersøgelser og tiltrukket sig opmærksomhed fra det amerikanske energiministerium og nuklear industri. Projektet resulterede i i alt 18 tidsskriftsartikler og to doktorafhandlinger.