一种设计耐抗锆合金的新方法

艺术家在预测合金化组合物的五颜六色的计算谷前面的核燃料棒的翻译。

来自麻省理工学院的研究人员已经开发出一种设计抗抗氧化锆合金的新方法，这可能在核反应堆中有用。

高科技金属合金广泛用于重要的材料，例如保护核反应堆内的燃料的包层。但即使是最好的合金也会随着时间的推移而降低，反应堆的高温，辐射和富含氢气的受害者。现在，一支麻省理工学院研究人员发现了一种大大减少这些金属遭受暴露于氢气的破坏性效果的方法。

研究人员表示，该团队的分析集中在核工业中广泛应用于核工业的锆合金，而他们发现的基本原则可能适用于许多用于其他能源系统和基础设施应用的金属合金。这些研究结果显示在“物理评价”期刊上，在MIT副教授Bilge Yildiz，Postdoc Mostafa Youssef和Ming Yang的研究生副教授。

当来自反应器冷却剂的水分子分开的水分子释放时，氢气可以进入金属并与其反应。这导致金属延展性的降低，或其在压裂前维持机械负载的能力。反过来可能导致过早开裂和失败。在核电站，“那个包层的机械完整性极为重要，”Yildiz说，所以找到改善其寿命的方法是高度优先事项。

但事实证明，氢原子进入金属的初始进入依赖于在金属表面形成的层的特性。

氧化锆的涂层自然形成在高温水中锆的表面上，并且它用作一种保护屏障。如果精心设计，这层氧化物可以抑制氢气进入金属的晶体结构。或者，在其他条件下，它可以以气体形式发射氢气。

虽然研究人员几十年来研究了氢脆，但Yildiz说：“几乎所有的工作都在金属里面氢气发生了什么：什么后果，它在哪里，它如何导致脆化？我们从这些研究中学到了很多。“但她说，氢气进入内部的内部有很小的工作。氢气如何通过该表面氧化物层进入，或者如何将其作为来自该层的气体排出的方式。

“如果我们知道它是如何进入的或如何从表面排出或排出，这使我们能够预测可以降低​​进入速度的表面修改，”Yildiz说。她的团队发现，可以做到这一点，提高屏障阻止进入氢的能力，可能是多达千倍。

氢必须首先溶解在氧化物层中，然后渗透到下方的大部分金属中。但是，可以通过掺杂该层来控制氢的溶解，即通过将另一个元素或元素的原子引入其中的层来控制。该团队发现，氧化物中的氢溶解度遵循谷形曲线，这取决于掺杂元件在氧化物层中引入电子的能力。

“存在某种类型的掺杂元件，其​​使氢的渗透能力最小化，而其他掺杂元件可以在氧化物中引入最大电气量，并促进氧化物表面在氧化物表面处的氢气喷射。”因此，能够预测属于每种类型的掺杂剂是制造有效屏障的基本技巧。

该团队的研究结果表明了两个潜在的策略，一个旨在最大限度地减少氢渗透，并且在最大化进入的氢原子喷射时。

通过掺入适量的元素（例如铬），阻挡策略是“瞄准谷底”，例如铬，产生这种效果。另一种策略基于不同的元素，包括铌，将氢气从氧化物表面推出并保护下面的锆合金。

该团队表示，通过将少量掺杂剂金属掺入初始锆合金基质中，可以通过将少量的掺杂剂金属掺入初始锆合金基质中来实现。

该团队强调他们所发现的可能是一种普遍的方法，可以应用于在其表面上形成氧化层的各种合金，尽管如此。它们的方法可能导致化石燃料厂，桥梁，管道，燃料电池和许多其他应用中使用的合金的寿命的改善。

“任何你有金属暴露在高温和水中的地方，”Yildiz说 - 例如在石油和天然气提取的设备上 - 是这项工作可能适用的潜在情况。

“商业核电界引用了氢的行为，这可能是核反应堆燃料表现在正常运行条件下的最大挑战，而且最近作为事故条件下的安全问题，”加里是可持续的教授密歇根大学的能源，环境和地球系统工程，没有参与这项工作。他说，这些研究人员的问题的方法是独特而有趣的，但重要的是，第一次尝试提供基于物理学的对锆合金行为的理解。“

虽然本文尚未回答有关此材料的所有问题，但是“Yildez和她的学生所采取的方法提高了对更高水平的讨论，毫无疑问会刺激更多地在物理学而不是经验主义的研究。“

该作品得到了美国能源部资助的轻型水反应堆高级模拟的联盟支持，由美国国家科学基金会提供计算支持。

出版物：Mostafa Youssef，Ming Yang和Bilge Yildiz，“掺杂在氢溶解度谷：用于设计耐抗氧化锆合金的途径，“物理”。版本，2016,5,014008; DOI：10.1103 / physRevapplied.5.014008