Juni 16, 2024
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Einer der Hauptgründe für die Begrenzung der Betriebslebensdauer von Kernreaktoren besteht darin, dass Metalle, die der starken Strahlungsumgebung in der Nähe des Reaktorkerns ausgesetzt sind, porös und spröde werden, was zu Rissen und Ausfällen führen kann. Nun hat ein Forscherteam am MIT und anderswo herausgefunden, dass zumindest in einigen Reaktoren die Zugabe einer winzigen Menge Kohlenstoffnanoröhren zum Metall diesen Abbauprozess drastisch verlangsamen kann.

Bisher hat sich die Methode nur für Aluminium als wirksam erwiesen, was ihre Anwendung auf die Umgebungen mit niedrigeren Temperaturen in Forschungsreaktoren beschränkt. Das Team sagt jedoch, dass die Methode möglicherweise auch bei Legierungen mit höherer Temperatur anwendbar ist, die in kommerziellen Reaktoren verwendet werden.

Die Ergebnisse werden in der Zeitschrift Nano Energy in einem Artikel von MIT-Professor Ju Li, den Postdocs Kang Pyo So und Mingda Li, dem Forscher Akihiro Kushima und zehn weiteren Mitarbeitern am MIT, der Texas A&M University und Universitäten in Südkorea, Chile, beschrieben. und Argentinien.

Aluminium wird derzeit nicht nur in Komponenten von Forschungsreaktoren, sondern auch in Kernbatterien und Raumfahrzeugen verwendet und wurde als Material für Lagerbehälter für Atommüll vorgeschlagen. Daher könnte eine Verbesserung der Betriebslebensdauer erhebliche Vorteile haben, sagt Ju Li, Professorin für Nuklearwissenschaft und -technik bei der Battelle Energy Alliance und Professorin für Materialwissenschaft und -technik.

Langzeitstabilität

Das Metall mit den darin gleichmäßig verteilten Kohlenstoffnanoröhren „sollte Strahlenschäden über lange Zeiträume abmildern, ohne sich zu zersetzen“, sagt Kang Pyo So.

Helium aus der Strahlungsumwandlung setzt sich im Inneren von Metallen fest und führt dazu, dass das Material entlang der Korngrenzen mit winzigen Bläschen durchsetzt und immer spröder wird, erklären die Forscher. Obwohl die Nanoröhren nur einen kleinen Bruchteil des Volumens ausmachen – weniger als 2 Prozent –, können sie ein versickerndes, eindimensionales Transportnetzwerk bilden, um Wege zu schaffen, über die das Helium wieder austreten kann, anstatt im Metall eingeschlossen zu werden, wo es sich befindet könnte weiterhin Schaden anrichten.

Tests zeigten, dass die Kohlenstoffnanoröhren im Metall nach der Einwirkung von Strahlung chemisch in Karbide umgewandelt werden können, sie aber immer noch ihre schlanke Form behalten, „fast wie in Bernstein gefangene Insekten“, sagt Ju Li. „Es ist ziemlich erstaunlich – man sieht keinen Klecks; sie behalten ihre Morphologie. Es ist immer noch eindimensional.“ Die große Gesamtgrenzflächenfläche dieser 1-D-Nanostrukturen bietet die Möglichkeit, dass strahlungsinduzierte Punktdefekte im Metall rekombinieren und so einen Prozess abmildern, der auch zur Versprödung führt. Die Forscher zeigten, dass die 1-D-Struktur Strahlenschäden von bis zu 70 DPA überstehen konnte. (DPA ist eine Einheit, die angibt, wie oft im Durchschnitt jedes Atom im Kristallgitter durch Strahlung aus seiner Position geschleudert wird. 70 DPA bedeutet also einen großen Strahlungsschaden.)

Nach der Strahlenexposition, sagt Ju Li, „sehen wir Poren in der Kontrollprobe, aber keine Poren“ im neuen Material, „und mechanische Daten zeigen, dass es eine viel geringere Versprödung aufweist.“ Die Tests haben gezeigt, dass sich die Versprödung bei einer bestimmten Strahlungsexposition etwa um das Fünf- bis Zehnfache verringert.

Das neue Material benötigt nur winzige Mengen an Kohlenstoffnanoröhren (CNTs) – etwa 1 Gewichtsprozent, die dem Metall hinzugefügt werden – und diese sind kostengünstig herzustellen und zu verarbeiten, sagt das Team. Der Verbundwerkstoff lässt sich mit gängigen industriellen Methoden kostengünstig herstellen und wird bereits tonnenweise von Herstellern in Korea für die Automobilindustrie hergestellt.

Stärke und Belastbarkeit

Schon vor der Strahlungsexposition verbessert die Zugabe dieser kleinen Menge an Nanoröhren die Festigkeit des Materials um 50 Prozent und verbessert auch seine Zugduktilität – seine Fähigkeit, sich zu verformen, ohne zu brechen – so das Team.

„Das ist ein Beweis des Prinzips“, sagt Kang Pyo So. Während das für die Tests verwendete Material Aluminium war, plant das Team, ähnliche Tests mit Zirkonium durchzuführen, einem Metall, das häufig für Hochtemperaturreaktoranwendungen wie die Umhüllung von Kernbrennstoffpellets verwendet wird. „Wir glauben, dass dies eine allgemeine Eigenschaft von Metall-CNT-Systemen ist“, sagt er.

„Dies ist eine Entwicklung von erheblicher Bedeutung für die Kernmaterialwissenschaft, wo Verbundwerkstoffe – insbesondere oxiddispersionsverstärkte Stähle – seit langem als vielversprechende Kandidatenmaterialien für Anwendungen mit hohen Temperaturen und hoher Strahlungsdosis gelten“, sagt Sergei Dudarev, Professor für Materialwissenschaften an der Universität Oxford im Vereinigten Königreich, der an dieser Arbeit nicht beteiligt war.

Dudarev fügt hinzu, dass sich dieses neue Verbundmaterial „bei längerer Bestrahlung als bemerkenswert stabil erweist, was darauf hindeutet, dass das Material in der Lage ist, sich selbst zu erholen und seine ursprünglichen Eigenschaften teilweise beizubehalten, nachdem es einer hohen Bestrahlungsdosis bei Raumtemperatur ausgesetzt wurde.“ Ein Vorteil ist auch, dass das neue Material relativ kostengünstig hergestellt werden kann.“

Sergei Kucheyev, ein Physiker am Lawrence Livermore National Laboratory, der ebenfalls nicht an dieser Forschung beteiligt war, sagt: „Diese Ergebnisse könnten wichtige technologische Auswirkungen haben.“ Sie weisen auch auf unser immer noch begrenztes Verständnis der Physik von Strahlungsdefekten an Grenzflächen in technologisch relevanten Regimen hin.“

Zum Team gehörten auch die Forscher Sangtae Kim, Yang Yang und Ziqiang Wang vom MIT; Di Chen und Shao Lin an der Texas A&M University; Jong Gil Park und Young Hee Lee am Institute for Basic Science in Südkorea; Rafael Gonzalez und Miguel Kiwi an der Universität Chile; und Eduardo Bringa an der Nationalen Universität von Cuyo in Argentinien. Die Arbeit wurde vom US-Energieministerium und der National Research Foundation of Korea unterstützt.

John Israel

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