Metalen reizen vooruit in de tijd in het Ion Accelerator Laboratory, een faciliteit binnen de afdeling nucleaire engineering van de Texas A&M University en onderzoekers binnen de Ion Beam Laboratory-groep van de afdeling versnellen de klok op metaallegeringen en staal.

De onderzoekers gebruiken ionen als surrogaten voor neutronenstraling om in korte tijd te zien hoe stabiel deze metalen zijn nadat ze decennialang in een kernreactor zijn gebruikt.

"We nemen in wezen deze legeringen en bestralen met ionen om schade te bereiken die wordt gezien in reactorachtige omstandigheden, " zei Jonathan Gigax, een afgestudeerde assistent-onderzoeker die werkt onder de hoofdonderzoeker van het laboratorium, Universitair hoofddocent dr. Lin Shao. "Dit is belangrijk omdat het in de huidige reactorfaciliteiten tientallen jaren duurt om het slijtageniveau te bereiken dat deze metalen zullen zien in reactoren van de volgende generatie. Dus gebruiken we ionenversnellers omdat ze het veel sneller kunnen bereiken."

Volgens Gigax, er zijn een aantal verschillen tussen ionen- en neutronenbestralingen die een-op-een vergelijkingen in de weg staan. Echter, talrijke vroege studies en recente studies tonen aan dat bepaald gedrag in beide omgevingen erg op elkaar lijkt. Dit helpt de techniek te kwalificeren en stelt onderzoekers in staat om snel een groot aantal kandidaat-legeringen te screenen. De resultaten geven inzicht in de unieke eigenschappen die bepaalde legeringen stralingsbestendig maken, zodat nieuwe legeringen kunnen worden ontwikkeld voor gebruik in de reactorconstructie en helpen bij een efficiënt gebruik van de brandstof van de reactor. Om een ​​optimale efficiëntie te bereiken, moet de reactor werken bij een hoge burn-up, waardoor de metalen en legeringen in de reactor onder druk komen te staan. Om zeer efficiënte brandstofverbrandingen te bereiken, legeringen die bestand zijn tegen microstructurele veranderingen door schade veroorzaakte neutronenstraling, ook bekend als kruip en zwelling, nodig zijn om een ​​lange levensduur van de reactor te garanderen.

"Een goed voorbeeld van kruipverschijnselen is een gloeidraad in een gloeilamp, Gigax zei. "Het filament blijft lange tijd op een zeer hoge temperatuur en vervormt langzaam totdat het breekt. Hetzelfde kan gebeuren met staal bij hoge temperaturen of onder grote spanningen, dus het idee was dat we een legering moesten ontwikkelen die in hoge mate geen kruip vertoont."

De staalsoorten die in de reactor worden gebruikt, als gevolg van kruip en zwelling, vervorming ondergaan en het bedrijfsgedrag van de reactor veranderen. Eenkristalmetalen zijn bestand tegen kruip, maar zijn duur om te maken en vertonen typisch meer zwelling van de holle ruimte dan polykristallijne tegenhangers. Zeer kleine korrels bieden een betere weerstand tegen zwelling, maar maken het staal gevoelig voor kruip.

Gigax vergelijkt de verschijnselen met zand in een zandloper, waar de zandkorrels erg fijn zijn en van het ene uiteinde van de zandloper naar het andere kunnen stromen. Metalen met kleine korrels zijn vatbaarder voor kruip omdat de korrels gemakkelijker kunnen bewegen bij hoge temperaturen en onder stress, vooral wanneer ze worden gebombardeerd door neutronen, in tegenstelling tot grotere korrels die meer weerstand bieden. Om dit probleem op te lossen, oxiden kunnen in het metaal worden gelegeerd om die grenzen vast te pinnen en de beweging van deze korrels moeilijker te maken, met behoud van de voordelen van een fijne korrelstructuur met betrekking tot holtezwelling. Volgens Gigax, dit zou lijken op het vastzetten van enkele zandkorrels in de zandloper, voorkomen dat de korrels bewegen.

"Als je al deze resultaten hebt, er zijn twee dingen die we kunnen doen, Gigax zei. "We kunnen kijken naar wat de ene legering beter maakt dan de andere en vervolgens de verdere ontwikkeling van die legering sturen op basis van zijn positieve eigenschappen, of als je eenmaal een goede legering hebt geïdentificeerd, kun je middelen besteden om die in een kernreactor te plaatsen om het onder de exacte omstandigheden te testen."

Door het gebruik van de ionenversnellers, de tijd- en kostenverbintenis voor het testen van reactoren wordt drastisch verminderd, waardoor het onderzoek efficiënt kan verlopen. Naast het verzekeren van een langere levensduur en duurzaamheid van deze reactormaterialen, deze toepassingen hebben ook voordelen voor de consument.

"We dragen bij aan de energiebehoeften van de natie, Gigax zei. "Door bij te dragen aan de ontwikkeling van materialen die de extra stralingsbelasting van het werken bij hogere, efficiëntere brandstofverbrandingen, wat zich vertaalt in meer energie-output per brandstofbron, we helpen om goedkopere en toegankelijker energie te maken voor de gemiddelde consument."

Het onderzoek wordt gefinancierd door het Amerikaanse ministerie van Energie, wiens interesse in dit project Gigax het gevoel geeft dat hij en anderen in het onderzoeksteam positief werk doen dat de grotere gemeenschap ten goede komt.

"Veel van onze financiering komt uit overheidsbronnen, " Zei Gigax. "Het hele idee hier is dat we, door financiering te krijgen via deze projecten, erg dienstbaar zijn ten opzichte van de belangen van de gemeenschap en dat past goed bij de Aggie Spirit. als Aggies, het is goed om te voelen dat we de belangen van de gemeenschap dienen."