Nowy materiał odporny na promieniowanie

26-03-2019

Międzynarodowy zespół, naukowców opracował nowy materiał o niespotykanej dotąd odporności na promieniowanie. Materiał ten może zrewolucjonizować podejście do projektowania elementów konstrukcyjnych np. w reaktorach syntezy termojądrowej. W badaniach uczestniczyła grupa dra inż. Jana Wróbla z Politechniki Warszawskiej, laureata programów START i HOMING Fundacji na rzecz Nauki Polskiej.

Jednym z głównych problemów technologicznych związanych z energetyką jądrową jest niszczenie materiałów konstrukcyjnych pod wpływem napromieniowania. Rozwiązaniem tego problemu może być zastosowanie tzw. stopów o wysokiej entropii – nowej klasy materiałów składających się, w odróżnieniu od tradycyjnych materiałów, z czterech lub więcej składników o podobnym stężeniu. Stopy te cechują się wysoką entropią konfiguracyjną, czyli dużym stopniem nieuporządkowania atomów, wyjątkową mikrostrukturą i unikalnymi właściwościami. Jak wynika z najnowszych badań opublikowanych w czasopiśmie Science Advances, stop o wysokiej entropii W-Ta-Cr-V jest niezwykle odporny na promieniowanie i zachowuje znakomite właściwości mechaniczne. Z tego względu materiał ten jest atrakcyjnym kandydatem do zastosowań w elementach konstrukcyjnych przyszłych reaktorów jądrowych lub syntezy termojądrowej.

(a) Zmiana stężeń poszczególnych pierwiastków pomiędzy osnową i wydzielonymi fazami o zwiększonej zawartości Cr i V uzyskana przy użyciu Tomografii Sondy Atomowej (ang. Atom Probe Tomography) dla napromieniowanej próbki stopu W38Ta35Cr16V11. (b) Reprezentatywna struktura z wydzieloną fazą o zwiększonej zawartości atomów V i Cr oraz (c) zmiana stężeń poszczególnych pierwiastków wzdłuż kierunku krystalograficznego [100] uzyskana przy użyciu symulacji Monte Carlo.

Dr inż. Jan Wróbel, Politechnika Warszawska (fot. archiwum prywatne)

„Ze względu na olbrzymią liczbę możliwych kombinacji, zarówno doboru pierwiastków jak i ich stężeń, eksperymentalne przebadanie wszystkich kombinacji stopów nie jest możliwe. Dlatego materiały te są ciągle mało poznane. Głównym celem naszych badań jest zrozumienie, w jaki sposób uporządkowanie atomowe oraz podstawowe właściwości stopów zależą od stężeń poszczególnych pierwiastków oraz od temperatury. Stworzony przez mój zespół model, polegający na połączeniu metod obliczeniowych opartych na mechanice kwantowej z metodami statystycznymi, wykazał, że w stopie W-Ta-Cr-V występuje silna tendencja do przyciągania pomiędzy atomami V i Cr, które jest przyczyną wydzielania faz V-Cr obserwowanych eksperymentalnie przez naszych współpracowników z USA. Co więcej, symulacje komputerowe przeprowadzane systematycznie w szerokim zakresie stężeń i temperatur mogą się przyczynić do znalezienia optymalnego składu stopu, który potencjalnie może mieć jeszcze lepsze właściwości niż ten opisany w naszej publikacji.” ‒ mówi dr inż. Jan Wróbel.

Publikacja jest efektem międzynarodowej współpracy naukowców z Wydziału Inżynierii Materiałowej Politechniki Warszawskiej z naukowcami z Los Alamos National Laboratory, Argonne National Laboratory i Pacific Northwest National Laboratory w USA oraz z Culham Centre for Fusion Energy w Anglii. Grupa dr. inż. Jana Wróbla, w ramach realizacji grantu w programie HOMING FNP, odpowiedzialna była za stworzenie modelu teoretycznego, który wyjaśnił przyczynę wydzielania w stopie faz o zwiększonej zawartości atomów V i Cr.

Źródło: Fundacja na Rzecz Nauki Polskiej

Przeczytaj też:

Artykuł „Outstanding radiation resistance of tungsten-based high-entropy alloys” opublikowany w Science Advances