Intensywne i długotrwałe bombardowanie neutronami, wysoka temperatura i duże ciśnienie tworzą środowisko wyjątkowo nieprzyjazne dla większości materiałów. W związku z tym w pracach nad budową reaktorów jądrowych najnowszej, czwartej generacji główny nacisk kładzie się na poszukiwanie materiałów zdolnych zachowywać wysokie parametry mechaniczne w tak niesprzyjających warunkach. Obiecującego kandydata na taki materiał wskazał ostatnio zespół naukowców z Narodowego Centrum Badań Jądrowych (NCBJ) w Świerku, kierowany przez prof. Łukasza Kurpaskę - poinformował rzecznik NCBJ dr Marek Pawłowski w przesłanym PAP w środę komunikacie.

"Reaktory wysokotemperaturowe (High Temperature Reactors, HTR) uznaje się za ważny element energetyki jądrowej. Z jednej strony są po prostu bezpieczne, ponieważ odpowiednia konstrukcja, parametry pracy i dobór paliwa gwarantują, że ewentualny niekontrolowany wzrost temperatury zamiast napędzać reakcję łańcuchową, doprowadzi do jej samoczynnego wygaszenia" - czytamy w komunikacie. Z drugiej strony - jak uważają badacze z NCBJ - reaktory te mogą zaspokoić potrzeby współczesnego przemysłu, są bowiem w stanie dostarczać parę o temperaturze 500 stopni Celsjusza lub wyższej. To z kolei umożliwia użycie tej pary jako źródła ciepła technologicznego w przemyśle chemicznym, a nawet do produkcji wodoru.

Problemem jest jednak znalezienie materiałów zdolnych sprostać wymogom narzucanym przez specyfikę pracy reaktorów HTR.

„W ostatnich latach sporo uwagi poświęca się stopom o wysokiej entropii, tworzonym z co najmniej pięciu składników o podobnym stężeniu, często o podobnej masie atomowej" - mówi cytowana w komunikacie mgr inż. Edyta Wyszkowska (NCBJ), pierwsza autorka artykułu dotyczącego uszkodzeń radiacyjnych w stopach niklu i żelaza, który niedawno ukazał się w prestiżowym czasopiśmie naukowym "Nanoscale" (https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2023/NR/D2NR06178C).

"Materiały tego typu mają unikatowe właściwości, m.in. charakteryzują się wysoką granicą plastyczności, twardością w wysokiej temperaturze i bardzo dobrą odpornością na promieniowanie. Modyfikując ich skład chemiczny można łatwo poprawiać pożądane cechy, na przykład w celu zwiększenia wytrzymałości czy ciągliwości” - dodaje badaczka.

Fizycy z NCBJ są zainteresowani przede wszystkim zrozumieniem fundamentalnych zjawisk zachodzących wewnątrz materiałów narażonych na promieniowanie oraz określeniem wyjściowego składu chemicznego, wokół którego będzie można prowadzić dalsze badania. Z tego powodu skupili się na stopach tylko dwóch metali: niklu z żelazem. "Zarówno nikiel jak i żelazo są częstymi składnikami stopów o wysokiej entropii, zatem zrozumienie mechanizmów odpowiedzialnych za unikatowe właściwości układu niklu z żelazem pozwalałoby stworzyć solidny fundament dla dalszych poszukiwań stopów o jeszcze lepszych parametrach" - czytamy w informacji prasowej.

W raportowanych badaniach wykorzystano monokryształy nikiel-żelazo wyprodukowane w NCBJ. Do badań wykorzystano cztery stopy o rosnącej zawartości żelaza.

W celu wytworzenia uszkodzeń radiacyjnych tożsamych z powstającymi w wyniku oddziaływania strumienia neutronów, odpowiednio przygotowane próbki materiałów zostały umieszczane w implantatorze jonów i poddane oddziaływaniu strumienia jonów.

„Bombardowanie jonami zamiast neutronami sprawia, że zmodyfikowane materiały nie są radioaktywne i można je bezpiecznie analizować w laboratorium. Co jednak bardzo ważne, technika ta umożliwia szybkie i precyzyjne defektowanie materiału. W ciągu zaledwie kilku, kilkunastu godzin można wytworzyć uszkodzenia radiacyjne w zewnętrznej warstwie materiału do głębokości nawet mikrometra, co odpowiada zniszczeniom formującym się przez nawet kilkadziesiąt lat pracy reaktora” - wyjaśnia mgr inż. Wyszkowska.

Z analiz i symulacji przeprowadzonych w Świerku wyłania się interesujący obraz zmian zachodzących w stopach niklu z żelazem pod wpływem promieniowania radiacyjnego.

Badania udowodniły, że największą twardość wykazuje stop z dodatkiem 38 proc. żelaza, jednak największą odporność na tworzenie defektów radiacyjnych zaobserwowano dla stopu zawierającego największą ilość żelaza, czyli 62 proc. Co więcej, defekty w tym drugim stopie były rozmieszczone jednorodnie w obrębie warstwy zmodyfikowanej przez jony, podczas gdy w pozostałych stopach grupowały się w pobliżu pewnej głębokości. "To istotna cecha, ponieważ grupowanie się defektów jest zjawiskiem niebezpiecznym, potencjalnie prowadzącym do rozwarstwień materiału" - skomentowano w komunikacie.

W świetle dotychczasowych analiz stop niklu z 62-procentową zawartością żelaza wydaje się obiecującym kandydatem na materiał konstrukcyjny reaktorów jądrowych czwartej generacji i może stanowić podstawę do dalszych badań. Zanim trafi w ręce inżynierów, trzeba będzie jeszcze przeprowadzić dalsze badania jego właściwości, zwłaszcza w wysokich temperaturach, a także zrealizować wieloletnie testy w prawdziwym środowisku pracy reaktora.

"Wiedza zdobyta przez naukowców z NCBJ znajdzie jednak zastosowanie już dziś, pozwoli bowiem optymalizować dalsze poszukiwania stopów wieloskładnikowych o potencjalnie jeszcze lepszych parametrach mechanicznych i wysokiej odporności radiacyjnej" - czytamy w komunikacie.

Prace nad stopami NixFe1-x są realizowane w ramach projektu Centrum Doskonałości NOMATEN, finansowanego z grantów Fundacji na rzecz Nauki Polskiej, Komisji Europejskiej i Narodowego Centrum Nauki. (PAP)

Autorka: Ludwika Tomala

lt/ bar/