ابرآلیاژ‌های جدید ژاپن مناسب برای راکتور‌های همجوشی هسته‌ای!

به گزارش مجله خبری نگار/بهار، محققان با استفاده از آنالیز متالورژیکی، میکروسکوپ الکترونی و طیف‌سنجی، جزئیات ریزساختار لایه اکسید محافظ آلیاژ‌های ODS شامل SP ۱۰ و NF ۱۲ را بررسی کردند.

محققان مؤسسه علوم توکیو با همکاری دانشگاه ملی یوکوهاما، شرکت توسعه سوخت هسته‌ای نیپون و مؤسسه ملی علوم همجوشی، آلیاژ‌های تقویت‌شده با پراکندگی اکسید (ODS) را با جریان فلز مایع در دمای ۶۰۰ درجه سانتی‌گراد آزمایش کردند و یک محیط همجوشی را شبیه‌سازی کردند.
خواص ضد خوردگی آلیاژ‌های نشان داده شده در این آزمایش‌ها به توسعه دوام مواد راکتور‌های همجوشی هسته‌ای کمک می‌کنند.

انتظار می‌رود که همجوشی هسته‌ای نقش مهمی در دوره گذار از انرژی فسیلی به انرژی‌های تجدیدپذیر ایفا کند، زیرا جهان برای حذف تدریجی سوخت‌های فسیلی و روی آوردن به منابع انرژی پاک‌تر تلاش می‌کند. همجوشی هسته‌ای بر خلاف شکافت هسته‌ای، زباله‌های رادیواکتیو تولید نمی‌کند. این فرآیند واکنش‌هایی را که در خورشید رخ می‌دهد، تقلید و تکرار می‌کند و بنابراین به دمای بسیار بالایی نیاز دارد.

این امر مستلزم استفاده از مواد پیشرفته و خنک کننده‌های فلزی مایع برای استخراج گرما از راکتور در صورت لزوم است. با این حال، این خنک کننده‌ها که معمولاً از لیتیوم و آلیاژ‌های لیتیوم-سرب (LiPb) ساخته می‌شوند، بسیار خورنده هستند و یکپارچگی ساختاری مخزن راکتور را تهدید می‌کنند. این جایی است که آلیاژ‌های ODS می‌توانند کمک کنند.

آلیاژ ODS چیست؟
آلیاژ‌های تقویت شده با پراکندگی اکسید، آلیاژ‌هایی هستند که ذرات کوچک اکسیدی در آنها پراکنده شده‌اند. این آلیاژ‌ها استحکام بهتری نسبت به آلیاژ‌های معمولی دارند، زیرا ناهماهنگی ذرات اکسید منجر به انرژی سطحی بالاتر و کاهش احتمال جابجا شدن می‌شود. این ماده همچنین دارای انعطاف پذیری و مقاومت حرارتی بالایی است که آن را به گزینه‌ای مناسب برای کاربرد‌های در دمای بالا مانند پره‌های توربین و مبدل‌های حرارتی تبدیل می‌کند.

کاربرد‌های پیشرفته‌تر ODS شامل پوشش فضاپیما‌ها در هنگام ورود مجدد و اکنون در راکتور‌های همجوشی هسته‌ای است. آلیاژ‌های ODS کاندیدا‌های امیدوارکننده‌ای برای راکتور‌های همجوشی هسته‌ای هستند، زیرا می‌توانند لایه‌های اکسید محافظی را در شرایط دمای بالا تشکیل دهند. از آنجایی که آلیاژ‌های لیتیوم-سرب بسیار خورنده هستند، محققان مؤسسه علوم توکیو و همکارانشان مشتاق بودند تا تعامل آنها را از نزدیک مطالعه کنند.

آزمایش آلیاژ‌های ODS
تیم‌های تحقیقاتی در آزمایشگاه، دو آلیاژ ODS شامل SP ۱۰ و NF ۱۲ را در دمای ۶۰۰ درجه سانتی‌گراد (۱۱۱۲ درجه فارنهایت) آزمایش کردند تا شرایط را در سیستم‌های خنک‌کننده راکتور همجوشی شبیه‌سازی کنند. این تیم تحقیقاتی ریزساختار لایه اکسید محافظ روی سطوح آلیاژ را با به‌کارگیری تکنیک‌هایی مانند آنالیز متالورژیکی، میکروسکوپ الکترونی عبوری روبشی و طیف سنجی از دست دادن انرژی الکترونی بررسی کردند.

این تیم دریافت که لایه Al ۲ O ۳ در ابتدا در جلوگیری از خوردگی مؤثر است، اما پس از واکنش با لیتیوم به α-/γ-LiAlO ۲ نیز تبدیل شد. حتی اگر آلیاژ ODS از قبل اکسید نشده باشد، در این شرایط یک لایه خود-محافظ تشکیل می‌دهد. هر دوی این لایه‌های اکسید شده مقاومت بالایی در برابر لایه‌برداری نشان دادند و به شدت به سطح آلیاژ حتی تحت تنش حرارتی بالا چسبیدند.

ماساتوشی کوندو (Masatoshi Kondo) از محققان این مطالعه در بیانیه‌ای مطبوعاتی گفت: دوام لایه اکسید لیتیوم-آلومینیوم نشان می‌دهد که این آلیاژ‌ها می‌توانند در شرایط با دمای بالا و تنش بالا دوام بیشتری داشته باشند.

وی افزود: این لایه به عنوان یک سپر پایدار عمل می‌کند که به محافظت از اجزای راکتور حتی پس از سایش اولیه ادامه می‌دهد. یافته‌های این پژوهش می‌تواند به توسعه راکتور‌های همجوشی کمک کند تا در صورت کارکرد طولانی مدت، ایمن کار کنند. کوندو در بیانیه مطبوعاتی خود نتیجه‌گیری کرد: یافته‌های ما نشان می‌دهد که آلیاژ‌های ODS FeCrAl با توانایی خود در تشکیل لایه‌های محافظ بادوام می‌توانند نقشی حیاتی در آینده راکتور‌های همجوشی و دیگر سیستم‌های قدرت با دمای بالا داشته باشند. یافته‌های این پژوهش در مجله Corrosion Science منتشر شده است.