Poszukiwanie materiałów zachowujących wysokie parametry mechaniczne w środowisku wnętrza wysokotemperaturowych reaktorów jądrowych jest zadaniem wyjątkowo trudnym. Najnowsze badania naukowców z ośrodka jądrowego w Świerku pozwalają przypuszczać, że materiał zdolny wytrzymać tak ekstremalne warunki pracy może się kryć wśród stopów, których podstawowymi składnikami są nikiel i żelazo.

Intensywne i długotrwałe bombardowanie neutronami, wysoka temperatura i duże ciśnienie tworzą środowisko wyjątkowo nieprzyjazne dla każdego materiału. Nic dziwnego, że 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 materiał do „zadań specjalnych” wskazał ostatnio zespół naukowców z Narodowego Centrum Badań Jądrowych (NCBJ) w Świerku, kierowany przez prof. dr. hab. Łukasza Kurpaskę.

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. Z drugiej strony reaktory te mogą znakomicie zaspokoić potrzeby współczesnego przemysłu, są bowiem w stanie dostarczać parę o temperaturze 500 stopni Celsjusza lub wyższej, co umożliwia jej użycie 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. 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”, mówi 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”.

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 swoją uwagę skoncentrowali na stopach tylko dwóch metali: niklu z żelazem. Decyzja była przemyślana. 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.

W raportowanych badaniach wykorzystano monokryształy nikiel-żelazo wyprodukowane w NCBJ metodą Bridgmana-Stockbargera (monokryształ narasta tu wokół zarodka osadzonego na dnie tygla z roztopem). Do badań wykorzystano cztery stopy o rosnącej zawartości żelaza: 12%, 23%, 38% i 62%. 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 ciekawy obraz zmian zachodzących w stopach niklu z żelazem pod wpływem promieniowania. Badania udowodniły, że największą twardość wykazuje stop z dodatkiem 38% żelaza, jednak największą odporność na tworzenie defektów radiacyjnych zaobserwowano dla stopu zawierającego największą ilość żelaza, czyli 62%. 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.

Zdaniem fizyków z NCBJ, wzrost odporności radiacyjnej stopów niklowych wraz ze wzrostem zawartości żelaza można tłumaczyć różnicami w konfiguracji elektronowej atomów obu pierwiastków. Powodują one, że atomy żelaza wzbudzone przez promieniowanie łatwiej zachowują swoje położenie w sieci krystalicznej niż wzbudzone atomy niklu. 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.

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.

PUBLIKACJE NAUKOWE:

„Tuning heterogeneous ion-radiation damage by composition in NixFe1−x binary single crystals”
E. Wyszkowska, C. Mieszczyński, Ł. Kurpaska, A. Azarov, I. Jóźwik, A. Kosińska, W. Chromiński, R. Diduszko, W. Y. Huo, I. Cieślik, J. Jagielski
Nanoscale 15, 4870-4881, 2023 DOI: https://doi.org/10.1039/D2NR06178C

ILUSTRACJA:

Przygotowania do badań nanomechanicznych po implantacji jonowej z użyciem urządzenia NanoTest Vantage w Narodowym Centrum Badań Jądrowych w Świerku. (Źródło: NCBJ)