Wysokotemperaturowe reaktory jądrowe (ang. High Temperature Reactors, HTR) są coraz częstszym przedmiotem badań naukowców z całego świata. Posiadają one kilka zasadniczych zalet. Przede wszystkim są bezpieczne, ponieważ odpowiednia ich konstrukcja sprawia, że niekontrolowany wzrost temperatury uruchamia reakcję łańcuchową prowadzącą do wygaszenia reaktora. Ponadto HTR potrafią dostarczać parę o temperaturze aż 500 st. C, co jest niezwykle potrzebne chociażby na potrzeby przemysłu chemicznego.
Czytaj też: Bezemisyjne źródło energii w zasięgu ręki. Klucz do sukcesu tkwi w tym reaktorze
Jakie jednak materiały są w stanie wytrzymać ekstremalne warunki wysokiego ciśnienia i temperatury oraz długotrwałego bombardowania neutronami? Polscy uczeni z Narodowego Centrum Badań Jądrowych (NCBJ) w Świerku znaleźli kandydata to tego bardzo wymagającego zadania, o czym dowiadujemy się z komunikatu prasowego NCBJ. Ponadto wyniki swoich prac opublikowali na stronach czasopisma Nanoscale.
Polacy stworzyli podwaliny pod reaktor jądrowy czwartej generacji
Badania prowadzone pod kierownictwem prof. dr hab. Łukasza Kurpaski skupiały się wokół stopów, których głównymi składnikami są nikiel i żelazo. Jak tłumaczy Edyta Wyszkowska, pierwsza autorka artykułu, stopy o wysokiej entropii zwracają uwagę naukowców, ponieważ charakteryzują się wieloma cechami przydatnymi w HTR:
W ostatnich latach sporo uwagi poświęca się stopom o wysokiej entropii, tworzonym z co najmniej pięciu składników o podobnym stężeniu, często o podobnej masie atomowej. Materiały tego typu mają unikatowe właściwości, m.in. charakteryzują się wysoką granicą plastyczności, twardością w wysokiej temperaturze i bardzo dobrą odpornością na promieniowanie. Modyfikując ich skład chemiczny, można łatwo poprawiać pożądane cechy, na przykład w celu zwiększenia wytrzymałości czy ciągliwości.
Eksperyment fizyków polegał na tym, że przeprowadzili oni bombardowanie jonami czterech stopów żelaza o rosnącej jego zawartości (12, 23, 38 i 62 proc.). Próbowali oni wytworzyć uszkodzenia radiacyjne podobne do tych, które powstałyby podczas normalnej pracy reaktora z neutronami.
Czytaj też: Elektrownie węglowe staną się reaktorami jądrowymi. Wszystko dzięki nowemu patentowi
Co się okazało? W trakcie prac stop o zawartości 38 proc. żelaza wykazał największą twardość, ale ten z 62 proc. żelaza był najbardziej odporny na tworzenie się defektów radiacyjnych. Ponadto w przypadku tego drugiego defekty były rozmieszczone jednorodnie w obrębie warstwy zmodyfikowanej przez jony. Jest to istotne, ponieważ grupowanie się defektów doprowadza do rozwarstwień materiału.
Stop niklowy z 62 proc. zawartością żelaza wygrał spośród czterech kandydatów i będzie on przedmiotem dalszych badań nad materiałem konstrukcyjnym reaktorów jądrowych czwartej generacji. Jak zaznaczają autorzy, przed nimi jeszcze wiele lat badań nad materiałami, podczas których trzeba przeprowadzić m.in. testy w prawdziwym środowisku pracy reaktora. Niemniej początek działań już za naukowcami.
Prace nad stopami niklowo-żelazowym są realizowane w ramach projektu Centrum Doskonałości NOMATEN, finansowanego z grantów Fundacji na rzecz Nauki Polskiej, Komisji Europejskiej i Narodowego Centrum Nauki.
