In bevindingen die de manier kunnen veranderen waarop industrieën zoals kernenergie en ruimtevaart zoeken naar materialen die bestand zijn tegen blootstelling aan straling, Onderzoekers van de Universiteit van Michigan hebben ontdekt dat metaallegeringen met drie of meer elementen in gelijke concentraties opmerkelijk resistent kunnen zijn tegen door straling veroorzaakte zwelling.

Het grote probleem waarmee metalen worden geconfronteerd die bij hoge temperaturen worden gebombardeerd met straling, zoals de metalen waaruit de bekleding van nucleaire brandstof bestaat, is dat ze de neiging hebben om aanzienlijk op te zwellen. Ze kunnen zelfs in omvang verdubbelen.

"Eerst, het kan interfereren met andere delen van de structuur, maar ook als het zwelt, de sterkte van het materiaal verandert. De materiaaldichtheid daalt, " zei Lumin Wang, U-M hoogleraar nucleaire techniek en radiologische wetenschappen. "Het kan zacht worden bij hoge temperaturen of verharden bij lage temperaturen."

Dit gebeurt omdat wanneer een deeltje in het metaal vliegt en een atoom uit de kristalstructuur slaat, dat verplaatste atoom snel door het metaalkristal kan reizen. In de tussentijd, de lege ruimte die achterblijft beweegt niet erg snel. Als veel atomen uit hetzelfde gebied worden verdreven, die lege ruimtes kunnen samensmelten tot grote holtes.

Om de vorming van deze holtes te beheersen, en de daarmee gepaard gaande zwelling, het meest recente onderzoek heeft zich gericht op het creëren van micro- en nanostructuren in het metaal als speciaal ontworpen "gootstenen" om kleine defecten te absorberen op een manier die de integriteit van het materiaal behoudt. Maar Wang en zijn collega's schoppen het old school, kijken naar legeringen die geen breuken hebben in de kristalstructuur van de atomen.

Collega's van het Oak Ridge National Laboratory in Tennessee hebben monsters gemaakt van verschillende legeringen op nikkelbasis. Deze werden vervolgens blootgesteld aan straling in een faciliteit aan de Universiteit van Tennessee. De meest succesvolle legeringen waren geconcentreerde vaste oplossingen - kristallen gemaakt van gelijke delen nikkel, kobalt en ijzer; of nikkel, kobalt, ijzer, chroom en mangaan.

"Deze materialen hebben veel goede eigenschappen zoals sterkte en vervormbaarheid, en nu kunnen we stralingstolerantie toevoegen, " zei Chenyang Lu, een UM postdoctoraal onderzoeker in nucleaire techniek en radiologische wetenschappen en de hoofdauteur van het rapport in Natuurcommunicatie .

In een experiment voorgesteld door Wang, UT-onderzoekers stelden de monsters bloot aan stralingsbundels die twee niveaus van schade veroorzaakten, vergelijkbaar met wat zich in een reactorkern gedurende meerdere jaren en gedurende meerdere decennia kan ophopen. Deze experimenten werden uitgevoerd bij een temperatuur van 500 graden Celsius of 932 Fahrenheit - een temperatuur waarbij legeringen op nikkelbasis meestal gevoelig zijn voor zwelling.

Deze monsters werden geanalyseerd in het UM's Center for Material Characterization met een transmissie-elektronenmicroscoop. Het team ontdekte dat in vergelijking met puur nikkel, de beste legeringen hadden meer dan 100 keer minder stralingsschade.

Om uit te leggen wat er zo speciaal was aan deze legeringen, het team werkte nauw samen met de groep van Fei Gao, een theoreticus en UM-hoogleraar nucleaire engineering en radiologische wetenschappen. Gao's groep voerde computersimulaties uit op het niveau van individuele atomen en toonde aan dat de stralingstolerantie in deze groep legeringen kan worden toegeschreven aan de manier waarop de verplaatste atomen in het materiaal reizen. De verklaring werd verder bevestigd door een andere reeks experimenten uitgevoerd door het team van de Universiteit van Wisconsin.

"In vereenvoudigde termen, als er veel atomen van verschillende grootte zijn, je kunt ze beschouwen als hobbels of kuilen, Wang zei. "Dus dit defect zal niet zo soepel verlopen. Het zal stuiteren en vertragen."

Omdat de verplaatste atomen en de gaten in de kristalstructuur dicht bij elkaar bleven, ze hadden veel meer kans om elkaar te vinden. In werkelijkheid, dit repareerde veel van de leemtes in de gecompliceerde legeringen voordat ze zich konden samenvoegen tot grotere holten.

"Op basis van dit onderzoek we begrijpen nu hoe we een stralingstolerante matrix van een legering kunnen ontwikkelen, ' zei Wang.

De studie, getiteld "Het verbeteren van de stralingstolerantie door het beheersen van defectmobiliteit en migratieroutes in multicomponent eenfaselegeringen, " verschijnt in Natuurcommunicatie .