We wnętrzu wysokotemperaturowych reaktorów jądrowych (HTR) warunki są tak ekstremalne, że trudno znaleźć materiał, który można tam wykorzystywać. Badania Polaków sugerują, że taki materiał może się kryć wśród stopów, których podstawowymi składnikami są nikiel i żelazo - informuje NCBJ.

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.

lt/ bar/