Inżynierowie z Narodowego Centrum Badań Jądrowych (NCBJ) sprawdzają, jak zachowuje się specjalny stop metalu – Inconel 617 – w warunkach pracy przyszłych reaktorów jądrowych. To tzw. nadstop niklu, bardzo odporny na wysokie temperatury, korozję i utlenianie. Dzięki temu świetnie nadaje się do budowy elementów, które muszą działać w ekstremalnych warunkach, np. wymienników ciepła w reaktorach IV generacji. Aby jednak naprawdę użyć go w energetyce jądrowej, trzeba wiedzieć, jak zmieniają się jego właściwości pod wpływem długotrwałego działania promieniowania. Dlatego naukowcy z Laboratorium Badań Materiałowych i Centrum NOMATEN w NCBJ przeprowadzili pierwsze na świecie badania odporności radiacyjnej Inconelu 617 wyprodukowanego metodą przyrostową. 

Projekty nowoczesnych reaktorów jądrowych IV generacji stawiają przed inżynierami nowe wyzwania pod względem materiałów konstrukcyjnych. Poza wysoką odpornością na promieniowanie i korozję, elementy konstrukcyjne przez wiele lat będą musiały opierać się działaniu bardzo wysokich temperatur, nawet do 1000 °C, oraz obciążeń mechanicznych. Obiecującymi „kandydatami” do niektórych zastosowań w branży jądrowej są stopy metali oparte na niklu, np. Inconel 617. 

Stop ten jest znany w inżynierii materiałowej już od lat 70-tych i ceniony ze względu na wysoką odporność, m.in. na korozję w wysokich temperaturach oraz dobre właściwości mechaniczne. To sprawia, że nadaje się do konstrukcji elementów reaktora pracujących w wysokich temperaturach – takich jak turbiny, połączenia instalacji czy wymienniki ciepła. Zachowanie tego materiału pod wpływem długotrwałego działania promieniowania nie zostało jednak dotąd szczegółowo zbadane. Z tego powodu naukowcy z Laboratorium Badań Materiałowych oraz Centrum Doskonałości NOMATEN w NCBJ postanowili sprawdzić, jak stop Inconel 617 zachowuje się pod wpływem promieniowania.

W większości przypadków, elementy wykonane ze stopów typu Inconel powstają poprzez tradycyjne odlewanie. Jednak właściwości tych materiałów, takie jak wysoka twardość oraz znaczące umacnianie się poprzez zgniot sprawiają, że ich dalsza obróbka staje się skomplikowana. Dodatkowa trudność wynika z faktu, że wiele elementów znajdujących zastosowanie w inżynierii jądrowej ma złożony kształt, co zwiększa konieczność obróbki pierwotnie odlewanych elementów. Dlatego są poszukiwane inne metody produkcji. Jedną z nich jest tzw. wytwarzanie przyrostowe (z ang. additive manufacturing). W tej metodzie przedmiot powstaje poprzez nakładanie kolejnych warstw materiału. Dzięki temu można go dokładnie zaprojektować i wykonać, a jednocześnie zminimalizować straty materiałowe charakterystyczne dla klasycznej obróbki odlewów.

O badaniu

Naukowcy NCBJ w swojej pracy wykorzystali technikę bezpośredniego osadzania energii (z ang. directed energy deposition, DED). Próbki wykonano poprzez stopienie proszku bądź drutu metalowego przy użyciu lasera. Tak wytworzony materiał został następnie zaimplantowany wiązką jonów żelaza Fe²⁺, aby zasymulować długotrwałe działanie promieniowania neutronowego występującego w reaktorach jądrowych. Praca ta stanowi pierwszy na świecie test odporności radiacyjnej stopu Inconel 617 wytworzonego metodą DED. 

Zarówno próbki wystawione na działanie promieniowania, jak i stop wyjściowy poddano szczegółowym badaniom materiałowym. Dzięki temu naukowcy mogli precyzyjnie określić skład i budowę stopu dzięki wykorzystaniu m. in. emisyjnej spektroskopii optycznej (OES) i transmisyjnej mikroskopii elektronowej (TEM), a także zmiany właściwości wywołane implantacją poprzez badanie mikrotwardości oraz nanoindentację. Ta ostatnia technika badawcza polega na wciskaniu bardzo twardego wgłębnika w powierzchnię materiału w skali nanometrów w celu określenia jego właściwości mechanicznych, takich jak twardość i moduł sprężystości.

Analizy wykazały, że w zależności od użytego materiału pierwotnego (w postaci proszku bądź drutu) mikrostruktura uzyskanego stopu nieco się różni. – Próbki uzyskane z proszku są złożone z większych ziaren, a także większa jest w nich zawartość węglików, zwłaszcza bogatych w molibden i chrom. Wynika to z większej obecności węgla w proszku metalowym, niż ma to miejsce w przypadku drutu – opowiada dr inż. Tomasz Stasiak z Laboratorium Badań Materiałowych NCBJ, pierwszy autor artykułu. Wszystkie zaimplantowane próbki charakteryzowały się zwiększoną twardością, porównywalną z innymi stopami bazującymi na niklu. – Próbki poddane działaniu wiązki jonów wykazały również twardość większą o 20-40% względem próbek wyjściowych, co jest spowodowane powstawaniem defektów w materiale, zwłaszcza pętli dyslokacji. Porównując nasze wyniki z badaniami stopu Inconel 617 wytworzonego innymi metodami okazuje się, że metoda przyrostowa skutkuje większym rozmiarem defektów, ale mniejszą gęstością ich występowania – dodaje Tomasz Stasiak.

Wyniki badań dostarczyły wiedzy o tym, jak Inconel 617 zachowuje się pod wpływem wiązki jonów i jak na jego właściwości wpływają warunki produkcji. To istotny krok ku projektowaniu i budowie nowoczesnych, bezpiecznych reaktorów jądrowych IV generacji. Pełne wyniki badań są dostępne w publikacji: T. Stasiak, J. Jasiński, J. Rzempołuch, U. Woy, M. Wilczopolska, K. Mulewska, M. Kowal, K. Ciporska, Ł. Kurpaska, J. Jagielski, Effects of Fe2+ ion-irradiation on additively manufactured Inconel 617 alloy, Journal of Nuclear Materials, Volume 615, 2025, 155978, https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2025.155978.