Materiaalwetenschappers van de National University of Science and Technology "MISIS" (NUST MISIS) ontwikkelden een uniek sandwichstaal-vanadium-staalmateriaal dat bestand is tegen temperaturen tot 700°C, blootstelling aan harde straling, mechanische belasting en blootstelling aan chemicaliën gedurende een lange periode. Het materiaal kan worden gebruikt in de schillen van kernreactoren.

De staven behoren tot de belangrijkste functionele eenheden van de kernreactor. Ze komen in contact met uraniumbrandstof en regelen de intensiteit van de kernreactie. Het grootste probleem van de nieuwe generatie snelle neutronen kernreactor, waarmee uranium kan worden hergebruikt, is de zware belasting waaraan deze staven worden blootgesteld.

De maximale bedrijfstemperaturen van de schalen van de brandstofelementen in de nieuwe generatie reactoren bereiken 550-700°C. Natrium, de vloeibare metalen koelvloeistof, buiten opereert. De gecreëerde belastingen zijn veel hoger dan die welke de kernschalen van bestaande reactoren kunnen weerstaan.

Om de splijtstofcyclus in een nieuwe generatie snelle neutronenreactor te sluiten, nieuwe structurele materialen die kunnen zorgen voor een hogere brandstofverbranding in vergelijking met wat momenteel wordt bereikt, zijn nodig. Deze materialen moeten bestand zijn tegen schadelijke stralingsdoses tot 180-200 dpa (verplaatsingen per atoom), in plaats van de maximale 100-130 dpa, die typisch zijn voor bestaande materialen.

In dergelijke omstandigheden, schaalstaven van staal zijn gewoon niet in staat om te werken. Het doel van materiaalwetenschappers om materiaal te maken dat in staat is om de gelijktijdige impact van verschillende factoren in een superagressieve externe omgeving gedurende een lange periode te weerstaan.

"Ons team heeft een drielaags materiaal ontwikkeld, "staal/vanadium gelegeerd staal". Het ferritische corrosiebestendige staal erin zorgt voor corrosiebestendigheid, en de vanadiumlegering (V-4Ti-4Cr) biedt hittebestendigheid en stralingsweerstand die voldoende is om de effecten van ultrastijve omgevingen van een kernreactor te weerstaan", Aleksandra Baranova, co-auteur van onderzoek, postdoctorale student van NUST MISIS Department of Metallurgical Science and Physics of Strength, zegt.

Volgens haar, zo'n composiet maken is geen gemakkelijke taak, aangezien de twee materialen zo monolithisch mogelijk in de voegen moeten zijn.

"Het probleem werd opgelost door het gebruik van complexe vervorming en warmtebehandeling van drielaagse knuppels, inclusief hete co-extrusie (persen), radiaal smeden en joint walsen. Als resultaat, op de grens van de componenten wordt een "overgangszone" gevormd. De materialen diffunderen in elkaar, die zorgt voor een hoge sterkte van hun verbinding, ' zegt Alexandra.

Als resultaat, staal en vanadiumlegering "groeien" in elkaar, wetenschappers melden. Het onderzoeksteam slaagde erin een prototype van de kernschil te maken, dat is een monolithische drielaagse buis.

Laboratoriumtests laten een hoge mechanische sterkte van het composiet zien bij bedrijfstemperaturen tot 700°C. In de nabije toekomst, wetenschappers zijn van plan om langetermijnonderzoeken te starten naar het sandwichmateriaal voor stralingsbestendigheid.