Το κράμα V555 αναπτύχθηκε στο Εθνικό Εργαστήριο Pacific Northwest και παρουσιάζει ιδιαίτερα υψηλή μηχανική αντοχή, με τις πρώτες δοκιμές να ανοίγουν τον δρόμο για πιθανή αξιοποίησή του σε μελλοντικά πυρηνικά συστήματα (Interesting Engineering)
Μια ομάδα Αμερικανών ερευνητών ανέπτυξε ένα νέο μεταλλικό κράμα για πυρηνικούς αντιδραστήρες σχάσης, το οποίο, σύμφωνα με τα πρώτα αποτελέσματα, μπορεί να αντέξει μηχανικές τάσεις έως και 600 megapascals (MPa) σε θερμοκρασία δωματίου.
Το πειραματικό κράμα, με την ονομασία V555, αναπτύχθηκε στο Εθνικό Εργαστήριο Pacific Northwest (PNNL) του υπουργείου Ενέργειας των ΗΠΑ.
Οι επιστήμονες εξέτασαν σχεδόν 1.000 πιθανούς συνδυασμούς μετάλλων, προκειμένου να εντοπίσουν την πλέον υποσχόμενη σύνθεση για το νέο κράμα.
Για την ταχεία αξιολόγηση, προσομοίωση και βελτιστοποίηση των υλικών, οι επιστήμονες χρησιμοποίησαν μια υπολογιστική προσέγγιση που ονομάζεται robust alloy design (RAD), δηλαδή σχεδιασμός ανθεκτικών κραμάτων.
Η μέθοδος μπορεί να εντοπίζει υλικά ικανά να αντέχουν στις ακραίες θερμοκρασίες, την ακτινοβολία και τις μηχανικές καταπονήσεις που επικρατούν στο εσωτερικό των πυρηνικών αντιδραστήρων.
Το PNNL ανέφερε ότι το κράμα έχει υποβληθεί σε αρχικές δοκιμές σε θερμοκρασία δωματίου.
«Η εργασία αυτή εξελίχθηκε σε μια μεθοδολογία που δίνει στην επιστημονική κοινότητα των πυρηνικών υλικών τη δυνατότητα να διερευνήσει και να αξιολογήσει ένα ευρύτερο φάσμα υλικών για μελλοντικά πυρηνικά συστήματα», δήλωσε ο Osman El Atwani, διδάκτωρ επιστήμονας υλικών και επικεφαλής της μελέτης.
Νέα υλικά για πυρηνικούς αντιδραστήρες
Τα συμβατικά υλικά επένδυσης πυρηνικού καυσίμου περιλαμβάνουν χάλυβες και κράματα με βάση το ζιρκόνιο, όπως το Zircaloy.
Ωστόσο, σύμφωνα με τον El Atwani, νέα κράματα που αποτελούνται από πολλαπλά κύρια στοιχεία θα μπορούσαν να παρουσιάζουν βελτιωμένες ιδιότητες μέσω της τροποποίησης της μεταλλικής τους σύνθεσης.
Για την επιλογή διαφορετικών στοιχείων και τη δημιουργία εντελώς νέων συνθέσεων, ο ίδιος και η ερευνητική του ομάδα ανέπτυξαν την οκταβάθμια διαδικασία RAD. Η μέθοδος αξιολογεί τα υποψήφια υλικά με βάση διάφορες απαιτήσεις, όπως η αντοχή στην ακτινοβολία και η δυνατότητα βιομηχανικής παραγωγής τους.
Αρχικά, η ομάδα εντόπισε περίπου 724 συνθέσεις κραμάτων με υποσχόμενα χαρακτηριστικά, αξιοποιώντας τη συγκεκριμένη προσέγγιση.
Στη συνέχεια, χρησιμοποίησε το σύστημα βαθμολόγησης RAD για να περιορίσει τις επιλογές. Το συγκεκριμένο εργαλείο αξιολογεί και κατατάσσει τα κράματα με βάση την καταλληλότητά τους για χρήση σε πυρηνικούς αντιδραστήρες.
Τελικά, η ομάδα επέλεξε το V555 για τις αρχικές εργαστηριακές δοκιμές, προκειμένου να διαπιστώσει εάν η υπολογιστική προσέγγιση μπορούσε να εφαρμοστεί με επιτυχία στην πράξη.
«Η συνήθης πρακτική είναι να αντικαθιστάς αυτό το στοιχείο με εκείνο και εκείνο το στοιχείο με το άλλο», εξήγησε ο Mohan Nartu, διδάκτωρ και επιστήμονας υλικών στο PNNL, ο οποίος συμμετείχε στο έργο.
«Παρότι με αυτόν τον τρόπο δημιουργείς τεχνικά ένα νέο υλικό, δεν έχεις αλλάξει τη βασική συνταγή, επομένως το μείγμα παραμένει το ίδιο. Κατά συνέπεια, εξακολουθείς να αντιμετωπίζεις ορισμένους περιορισμούς».
Ένα ιδιαίτερα ανθεκτικό μεταλλικό κράμα
Μετά την επιλογή του V555, η ερευνητική ομάδα κατασκεύασε δείγματα για να εξετάσει τη δομή και τη μηχανική αντοχή του.
Προς έκπληξή τους, οι αρχικές δοκιμές σε θερμοκρασία δωματίου έδειξαν εκτιμώμενη τάση διαρροής περίπου 500 έως 600 MPa. Η τάση διαρροής αντιστοιχεί στο επίπεδο μηχανικής καταπόνησης που μπορεί να αντέξει ένα υλικό πριν αρχίσει να παραμορφώνεται μόνιμα.
Παρότι τα πρώτα αποτελέσματα επιβεβαίωσαν την υψηλή αντοχή του κράματος, απαιτούνται πρόσθετες δοκιμές προκειμένου να διαπιστωθεί εάν μπορεί πράγματι να χρησιμοποιηθεί σε πυρηνικούς αντιδραστήρες.
Η ομάδα διαπίστωσε επίσης ότι το αχρησιμοποίητο υλικό V555 μπορούσε να ανακυκλωθεί και να αξιοποιηθεί για την παραγωγή πρόσθετων δειγμάτων, χωρίς να επηρεάζεται η ποιότητά τους. Αυτό θα μπορούσε να περιορίσει τη σπατάλη υλικών κατά τη διάρκεια των πειραματικών δοκιμών.
Στο επόμενο στάδιο, οι ερευνητές θα εξετάσουν την αντοχή του V555 στη θερμότητα, την ακτινοβολία και τις υπόλοιπες συνθήκες λειτουργίας των πυρηνικών αντιδραστήρων. Παράλληλα, θα δοκιμάσουν και άλλες συνθέσεις κραμάτων που εντοπίστηκαν μέσω της διαδικασίας RAD.
Η έρευνα χρηματοδοτήθηκε από το Γραφείο Πυρηνικής Ενέργειας του υπουργείου Ενέργειας των ΗΠΑ, στο πλαίσιο του προγράμματος Innovative Nuclear Materials.
«Θέλαμε να αποδείξουμε ότι μπορεί κανείς να επιλέξει στοιχεία από μηδενική βάση, εφόσον έχει καθορίσει τα κατάλληλα κριτήρια, και να σχεδιάσει συστηματικά ένα υλικό για πυρηνικές εφαρμογές», κατέληξε ο Nartu σε σχετικό δελτίο Τύπου.
(Η μελέτη δημοσιεύθηκε στο επιστημονικό περιοδικό Materials & Design)
www.worldenergynews.gr
