На данный момент этот метод доказал свою эффективность только для алюминия, что ограничивает его применение в более низкотемпературных средах, характерных для исследовательских реакторов. Но команда говорит, что этот метод также может быть использован в высокотемпературных сплавах, используемых в промышленных реакторах.
Результаты описаны в журнале Nano Energy, в статье профессора Массачусетского технологического института Джу Ли, постдоков Кан Пё Со и Минда Ли, ученого-исследователя Акихиро Кусима и еще 10 человек из Массачусетского технологического института, Техасского университета AM и университетов Южной Кореи, Чили. и Аргентина.В настоящее время алюминий используется не только в компонентах исследовательских реакторов, но также в ядерных батареях и космических кораблях, и он был предложен в качестве материала для контейнеров для хранения ядерных отходов.
Таким образом, увеличение срока службы может иметь значительные преимущества, — говорит Цзюй Ли, профессор ядерных наук и инженерии Battelle Energy Alliance, а также профессор материаловедения и инженерии.Долговременная стабильностьМеталл с углеродными нанотрубками, равномерно распределенными внутри, «предназначен для смягчения радиационного повреждения» в течение длительных периодов времени без разрушения, говорит Кан Пё Со.
Исследователи объясняют, что гелий в результате радиационной трансмутации оседает внутри металлов и заставляет материал становиться пронизанным крошечными пузырьками по границам зерен и становиться все более хрупким. Нанотрубки, несмотря на то, что составляют лишь небольшую часть объема — менее 2 процентов — могут образовывать перколяционную одномерную транспортную сеть, обеспечивающую пути для утечки гелия обратно, а не захвата внутри металла. где он мог продолжать наносить ущерб.Испытания показали, что после воздействия радиации углеродные нанотрубки в металле могут химически превратиться в карбиды, но они все еще сохраняют свою тонкую форму, «почти как насекомые, пойманные в янтарь», — говорит Цзюй Ли. «Это удивительно — вы не видите капли; они сохраняют свою морфологию.
Она все еще одномерная». Огромная общая площадь поверхности раздела этих одномерных наноструктур дает возможность радиационным точечным дефектам рекомбинировать в металле, облегчая процесс, который также приводит к охрупчиванию.
Исследователи показали, что одномерная структура способна выдержать до 70 DPA радиационного повреждения. (DPA — это единица измерения, которая указывает, сколько раз в среднем каждый атом в кристаллической решетке выбивается из своего местоположения радиацией, поэтому 70 DPA означает большое радиационное повреждение.)После радиационного воздействия, по словам Цзюй Ли, «мы видим поры в контрольном образце, но не видим поры» в новом материале, а механические данные показывают, что он имеет гораздо меньшую хрупкость ». Испытания показали, что при заданной дозе радиации степень охрупчивания снижается примерно в пять-десять раз.Для нового материала требуется лишь крошечное количество углеродных нанотрубок (УНТ) — около 1 процента по весу, добавленного к металлу, — и их производство и обработка недороги, говорит команда.
Композит можно производить с низкими затратами обычными промышленными методами, и он уже производится тоннами производителями в Корее для автомобильной промышленности.Сила и стойкостьЕще до воздействия радиации добавление этого небольшого количества нанотрубок улучшает прочность материала на 50 процентов, а также улучшает его пластичность при растяжении — его способность деформироваться без разрушения, — говорят ученые.«Это доказательство принципа», — говорит Кан Пё Со.
В то время как материалом, используемым для испытаний, был алюминий, команда планирует провести аналогичные испытания с цирконием, металлом, широко используемым в высокотемпературных реакторах, таких как оболочка таблеток ядерного топлива. «Мы думаем, что это общее свойство систем металл-УНТ», — говорит он.«Это событие имеет большое значение для ядерного материаловедения, где композиты, особенно стали с дисперсионным упрочнением оксидов, долгое время считались перспективными материалами-кандидатами для применений, связанных с высокими температурами и высокими дозами облучения», — говорит Сергей Дударев, профессор материаловедения в Оксфордском университете в Великобритании, который не принимал участия в этой работе.
Дударев добавляет, что этот новый композитный материал «проявляет удивительную стабильность при длительном облучении, что указывает на способность материала к самовосстановлению и частичному сохранению своих первоначальных свойств после воздействия высокой дозы облучения при комнатной температуре. Тот факт, что новый материал может быть произведен при относительно низкой стоимости также является преимуществом ».