Nazwa Projektu: Wytwarzanie stopów o wysokiej entropii posiadających wysoką odporność radiacyjną i podwyższone właściwości mechaniczne w wysokiej temperaturze

Akronim Projektu: HERRA (SONATA BIS 13)

Budżet Projektu: 1 998 100 PLN

Czas trwania projektu: 01.10.2024 - 30.03.2029

Kierownik Projektu: prof. dr hab. inż. Łukasz Kurpaska

Opis Projektu:

Najnowocześniejsze reaktory jądrowe IV generacji oraz reaktory fuzyjne (termojądrowe) wymagają specjalnych materiałów konstrukcyjnych o doskonałych właściwościach mechanicznych w wysokiej temperaturze oraz dobrej odporności na promieniowanie jonizujące i korozję. Te rygorystyczne wymagania wydają się spełniać tzw. stopy o wysokiej entropii (High Entropy Alloys - HEA). Jednak nie do końca wiadomo, dlaczego mają one tak unikatowe właściwości i co je warunkuje. Ponadto, stopy HEA produkowane są w tej chwili jedynie w laboratoriach i niezbędne są prace badawcze weryfikujące możliwość ich produkcji przemysłowej. Dlatego naukowcy z Narodowego Centrum Badań Jądrowych chcą opracować technikę wytwarzania tego nowego typu materiałów oraz zrozumieć mechanizmy odpowiedzialne za ich doskonałe właściwości funkcjonalne w wysokich temperaturach. Z tego powodu badania eksperymentalne i symulacje przeprowadzone zostaną w warunkach odwzorowujących działanie reaktora jądrowego.

W ramach projektu wyprodukowane i zbadane zostaną różne rodzaje stopów z kontrolowanymi ilościami chromu, niklu, żelaza i manganu. Chcemy zbadać wpływ złożoności składu chemicznego poprzez progresywne jego zmienianie. Badania rozpoczną się na układach binarnych (NiFe) i trójskładnikowych (NiFeCr). Przewiduje się, że praca badawcza zostanie zakończona na stopach co najmniej czteroskładnikowych (NiFeCrMn), być może z dodatkiem innych elementów jak Al. Zrozumienie i optymalizacja składu chemicznego mogą umożliwić opis ewolucji defektów tworzących się w trakcie oddziaływaniu promieniowania jonizującego z materiałem. Wytłumaczenie tego zjawiska przyczyni się do wzrostu tzw. czasu życia materiałów pracujących w środowisku reaktora jądrowego.

W celu wytworzenia nowych materiałów, wytworzone stopy zostaną poddane odpowiedniej obróbce termicznej i walcowaniu. Powstałe materiały będą badane zarówno w stanie wyjściowym i po bombardowaniu ciężkimi jonami w wysokiej temperaturze. Przeprowadzone zostaną zaawansowane badania mechaniczne i strukturalne oraz symulacje numeryczne, prowadzące naukowców do odpowiedzi na pytania związane z plastycznością tych materiałów i innymi wyjątkowymi właściwościami jak migracja i ewolucja defektów. Zgodnie z założeniami programu SONATA BIS, ideą projektu jest właśnie współpraca nie tylko eksperymentatorów specjalizujących się w badaniach strukturalnych i mechanicznych, ale także doświadczonych naukowców zajmujących się symulacjami numerycznymi. Prace badawcze prowadzone będą wspólnie przez naukowców z Narodowego Centrum Badań Jądrowych i amerykańskiego Massachusetts Institute of Technology. Prof. Kurpaska uzyskał dostęp do akceleratora jonów znajdującego się w Departamencie Nauk i Inżynierii Jądrowej dzięki stypendium NAWA Bekker. Eksperymenty symulujące wpływ strumienia neutronów przeprowadzone zostaną wspólnie z naukowcami z tej instytucji.

Projekt przyczyni się więc do stworzenia ukierunkowanej na jeden cel, młodej grupy badawczej, która będzie mogła stworzyć ścieżkę do lepszego zrozumienia wciąż otwartych zagadnień dotyczących nowo opracowanych stopów o wysokiej entropii. Wszystko to będzie realizowane w duchu innowacyjności i komplementarności, w oparciu o fundamenty bieżących (Centrum Doskonałości NOMATEN) i przyszłych wspólnych projektów.

Realizacja projektu pozwoli odpowiedzieć na co najmniej kilka bardzo ważnych pytań. Czy można z powodzeniem produkować stopy o wysokiej entropii? Jaki jest wpływ składu chemicznego na strukturę materiału i jego odporność na promieniowanie? Jak mikrostruktura wpływa na właściwości mechaniczne? Wszystkie badania prowadzone będą na nowoczesnym sprzęcie zakupionym przez Narodowe Centrum Badań Jądrowych w Centrum Doskonałości NOMATEN i Laboratorium Badań Materiałowych.