آلیاژهای سوپر ژاپن در آزمون ۱۱۱۲°F مقاومت می‌کنند تا از راکتورهای همجوشی هسته‌ای محافظت کنند
پژوهشگران در موسسه علم توکیو با همکاری دانشگاه ملی یوکوهاما، توسعه سوخت هسته‌ای نیپون و موسسه ملی علوم همجوشی، آلیاژهای تقویت‌شده پراکندگی اکسید (ODS) را با جریان فلز مایع در دمای 600°C (1112°F) آزمایش کردند تا یک محیط پتوی همجوشی را شبیه‌سازی کنند.
خواص ضدخورنده این آلیاژها که در این آزمایش‌ها نشان داده شد، به توسعه دوام مواد در راکتورهای همجوشی هسته‌ای کمک خواهد کرد.
انتظار می‌رود که همجوشی هسته‌ای نقشی عمده در این تغییر انرژی ایفا کند، زیرا جهان در حال کار برای کنار گذاشتن سوخت‌های فسیلی و روی آوردن به منابع تمیزتر انرژی است. برخلاف همتای شکافت آن، همجوشی هسته‌ای زباله رادیواکتیو تولید نمی‌کند. این فرآیند واکنش‌هایی که در خورشید رخ می‌دهد را تقلید می‌کند و بنابراین به دماهای بسیار بالا نیاز دارد.
این امر استفاده از مواد پیشرفته و خنک‌کننده‌های فلزی مایع را برای استخراج حرارت از راکتور در مواقع لازم نیاز دارد. با این حال، این خنک‌کننده‌ها، که معمولاً از آلیاژهای لیتیم و لیتیم-سرب (LiPb) ساخته شده‌اند، بسیار خورنده هستند و به استحکام سازه‌ای ظرف راکتور تهدید می‌کنند. اینجاست که آلیاژهای ODS می‌توانند کمک کنند.
ODS چیست؟
آلیاژهای تقویت‌شده پراکندگی اکسید، آلیاژهایی هستند که دارای ذرات اکسید کوچک درون خود هستند. این آلیاژها نسبت به آلیاژهای معمولی مقاومت بیشتری دارند زیرا ناسازگاری ذرات اکسید باعث افزایش انرژی بین‌سطحی می‌شود و احتمال نابجایی را کاهش می‌دهد.
این ماده همچنین دارای انعطاف‌پذیری و مقاومت حرارتی بالایی است و استفاده از آن در کاربردهای دمای بالا، مانند تیغه‌های توربین دمای بالا و مبدل‌های حرارتی، می‌تواند مفید باشد. کاربردهای شدید ODS شامل پوشش دادن فضاپیماها در حین ورود دوباره و اکنون در راکتورهای همجوشی هسته‌ای است.
آلیاژهای ODS FeCrAl برای راکتورهای همجوشی هسته‌ای کاندیداهای امیدوارکننده‌ای هستند زیرا می‌توانند لایه‌های محافظتی اکسید مانند α-Al2O3 را در شرایط دمای بالا تشکیل دهند. با توجه به اینکه آلیاژهای LiPb بسیار خورنده هستند، محققان در موسسه علم توکیو و همکاران تمایل داشتند تا تعامل آنها را به دقت مطالعه کنند.
آزمایش‌ها با آلیاژهای ODS
در آزمایشگاه، تیم‌های تحقیقاتی دو آلیاژ ODS FeCrAl، SP10 و NF12، را تحت شرایط جریان استاتیک و هم‌زن در دمای 873 کلوین (~600°C, 1112°F) آزمایش کردند تا شرایط در سیستم‌های خنک‌کننده راکتور همجوشی را شبیه‌سازی کنند.
تیم تحقیقاتی ساختار میکروسکوپی لایه اکسید حفاظتی روی سطح آلیاژها را با استفاده از تکنیک‌هایی چون تحلیل متالورژیکی، میکروسکوپ الکترونی اسکن گذرا و طیف‌سنجی انرژی الکترونی بررسی کرد.
تیم دریافت که لایه Al2O3 ابتدا در پیشگیری از خوردگی موثر بود، اما پس از واکنش با لیتیم به α-/γ-LiAlO2 تبدیل شد. حتی اگر آلیاژ ODS پیش‌اکسید نشده بود، تحت این شرایط لایه‌ای خودحفاظتی تشکیل شد.
هر دو این لایه‌های اکسیدی مانند مقاومت بالای خود در برابر پوسته‌پوسته شدن نشان دادند و حتی تحت استرس حرارتی بالا به سطح آلیاژ محکم چسبیدند.
ماساتوشی کاندو، استاد دانشگاه علم توکیو، در یک بیانیه مطبوعاتی گفت: «دوام لایه اکسید لیتیم-آلومینیوم نشان می‌دهد که این آلیاژها می‌توانند در محیط‌های دمای بالا و استرس بالا، طولانی‌تر باقی بمانند.»
این لایه به عنوان یک سپر پایدار عمل می‌کند که حتی پس از فرسایش اولیه به محافظت از اجزای راکتور ادامه می‌دهد.
این یافته‌های تحقیقاتی می‌تواند به توسعه راکتورهای همجوشی کمک کند که در هنگام کارکرد طولانی مدت به ایمنی کار کنند.
«یافته‌های ما نشان می‌دهد که آلیاژهای ODS FeCrAl با توانایی خود در تشکیل لایه‌های محافظتی ماندگار می‌توانند نقشی حیاتی در آینده راکتورهای همجوشی و سایر سیستم‌های قدرت دما بالا ایفا کنند،» کاندو در بیانیه مطبوعاتی نتیجه‌گیری کرد.
یافته‌های تحقیقاتی در مجله Corrosion Science منتشر شد.
