ابرآلیاژهای ژاپنی و مقاومت در برابر دمای ۶۰۰ درجه سانتی‌گراد_صبح سریع

محققان با منفعت گیری از آنالیز متالورژیکی، میکروسکوپ الکترونی و طیف‌سنجی، جزئیات ریزساختار لایه اکسید محافظ آلیاژهای ODS شامل SP۱۰ و NF۱۲ را بازدید کردند.

به نقل از آی‌ای، محققان مؤسسه علوم توکیو با همکاری دانشگاه ملی یوکوهاما، شرکت گسترش سوخت هسته‌ای نیپون و مؤسسه ملی علوم همجوشی، آلیاژهای تحکیم‌شده با پراکندگی اکسید(ODS) را با جریان فلز مایع در دمای ۶۰۰ درجه سانتی‌گراد آزمایش کردند و یک محیط همجوشی را همانند‌سازی کردند.

خواص ضد خوردگی آلیاژهای نشان داده شده در این آزمایش‌ها به گسترش دوام مواد راکتورهای همجوشی هسته‌ای پشتیبانی می‌کنند.

انتظار می‌رود که همجوشی هسته‌ای نقش مهمی در دوره گذار از انرژی فسیلی به انرژی‌های تجدیدپذیر ایفا کند، چون جهان برای حذف تدریجی سوخت‌های فسیلی و روی آوردن به منبع های انرژی پاک‌تر تلاش می‌کند.

همجوشی هسته‌ای بر خلاف شکافت هسته‌ای، زباله‌های رادیواکتیو تشکیل نمی‌کند. این فرآیند عکس العمل‌هایی را که در خورشید رخ می‌دهد، پیروی و تکرار می‌کند و به این علت به دمای زیاد بالایی نیاز دارد.

این کار الزام منفعت گیری از مواد پیشرفته و خنک کننده‌های فلزی مایع برای استخراج گرما از راکتور در صورت لزوم است. با این حال، این خنک کننده‌ها که طبق معمولً از لیتیوم و آلیاژهای لیتیوم-سرب(LiPb) ساخته خواهد شد، زیاد خورنده می باشند و یکپارچگی ساختاری مخزن راکتور را تهدید می‌کنند. این جایی است که آلیاژهای ODS می‌توانند پشتیبانی کنند.

آلیاژ ODS چیست؟

آلیاژهای تحکیم شده با پراکندگی اکسید، آلیاژهایی می باشند که ذرات کوچک اکسیدی در آنها پراکنده شده‌اند. این آلیاژها استحکام بهتری نسبت به آلیاژهای معمولی دارند، چون ناهماهنگی ذرات اکسید تبدیل انرژی سطحی بالاتر و افت گمان جابجا شدن می‌شود.

این ماده این چنین دارای انعطاف پذیری و مقاومت حرارتی بالایی است که آن را به گزینه‌ای مناسب برای کاربردهای در دمای بالا همانند پره‌های توربین و مبدل‌های حرارتی تبدیل می‌کند.

کاربردهای گسترش یافتهتر ODS شامل پوشش فضاپیماها در زمان ورود مجدد و اکنون در راکتورهای همجوشی هسته‌ای است.

آلیاژهای ODS کاندیداهای امیدوارکننده‌ای برای راکتورهای همجوشی هسته‌ای می باشند، چون می‌توانند لایه‌های اکسید محافظی را در شرایط دمای بالا راه اندازی دهند. از آنجایی که آلیاژهای لیتیوم-سرب زیاد خورنده می باشند، محققان مؤسسه علوم توکیو و همکارانشان مشتاق بودند تا تعامل آنها را از نزدیک مطالعه کنند.

آزمایش آلیاژهای ODS

تیم‌های تحقیقاتی در آزمایشگاه، دو آلیاژ ODS شامل SP۱۰ و NF۱۲ را در دمای ۶۰۰ درجه سانتی‌گراد (۱۱۱۲ درجه فارنهایت) آزمایش کردند تا شرایط را در سیستم‌های خنک‌کننده راکتور همجوشی همانند‌سازی کنند.

این تیم تحقیقاتی ریزساختار لایه اکسید محافظ روی سطوح آلیاژ را با به‌کارگیری تکنیک‌هایی همانند آنالیز متالورژیکی، میکروسکوپ الکترونی عبوری روبشی و طیف سنجی از دست دادن انرژی الکترونی بازدید کردند.

این تیم دریافت که لایه Al۲O۳ در ابتدا در جلوگیری از خوردگی مؤثر است، اما بعد از عکس العمل با لیتیوم به α-/γ-LiAlO۲ نیز تبدیل شد. حتی اگر آلیاژ ODS از قبل اکسید نشده باشد، در این شرایط یک لایه خود-محافظ راه اندازی می‌دهد.

هر دوی این لایه‌های اکسید شده مقاومت بالایی در برابر لایه‌برداری نشان دادند و به شدت به سطح آلیاژ حتی تحت تنش حرارتی بالا چسبیدند.

ماساتوشی کوندو(Masatoshi Kondo) از محققان این مطالعه در بیانیه‌ای مطبوعاتی او گفت: دوام لایه اکسید لیتیوم-آلومینیوم مشخص می کند که این آلیاژها می‌توانند در شرایط با دمای بالا و تنش بالا دوام بیشتری داشته باشند.

او گفت: این لایه به گفتن یک سپر پایدار عمل می‌کند که به محافظت از اجزای راکتور حتی بعد از سایش اولیه ادامه می‌دهد.

یافته‌های این پژوهش می‌تواند به گسترش راکتورهای همجوشی پشتیبانی کند تا در صورت کارکرد طویل زمان، ایمن کار کنند.

کوندو در بیانیه مطبوعاتی خود نتیجه‌گیری کرد: یافته‌های ما مشخص می کند که آلیاژهای ODS FeCrAl با توانایی خود در راه اندازی لایه‌های محافظ بادوام می‌توانند نقشی حیاتی در آینده راکتورهای همجوشی و دیگر سیستم‌های قوت با دمای بالا داشته باشند.

یافته‌های این پژوهش در مجله Corrosion Science انتشار شده است.