یک ماده جدید، مقاومتی استثنایی در برابر خوردگی و فرسایش از خود نشان داده است که ویژگی حیاتی برای موادی است که در شرایط سخت در یک رآکتور هسته‌ای کار می‌کنند.

به گزارش ایسنا، ایالات متحده هدفی را برای تولید ۱۰۰ درصد برق خود با استفاده از منابع انرژی تجدیدپذیر تا سال ۲۰۳۵ تعیین کرده است و انرژی هسته‌ای نقش مهمی در این گذار به سوی انرژی پاک ایفا خواهد کرد.

حدود ۲۰ درصد از کل برق تولید شده در ایالات متحده در حال حاضر از نیروگاه‌های هسته‌ای تامین می‌شود. با این حال، این مقدار کافی نیست. اگر این کشور می‌خواهد در فضای انرژی پاک پیشرو باشد، باید برنامه انرژی هسته‌ای خود را تقویت کند و نیروگاه‌های هسته‌ای خود را کارآمدتر از همیشه کند.

مشکل بزرگ رآکتورهای هسته‌ای وابستگی آنها به آلیاژهای مبتنی بر نیکل است که گران هستند. نیکل به وفور در کشورهایی مانند روسیه، اندونزی و فیلیپین یافت می‌شوند که مشکل اینجاست که این کشورها روابط خوبی با ایالات متحده ندارند. علاوه بر این، رطوبت بالای سنگ معدن نیکل چالش‌های حمل و نقل آن را نیز بیشتر می‌کند.

اکنون گروهی از محققان آزمایشگاه ملی آرگون(AGL) در وزارت انرژی آمریکا با پرداختن به این مسائل، چارچوبی را برای یافتن موادی که بتواند جایگزین این آلیاژهای مبتنی بر نیکل شود، ایجاد کرده‌اند. این تیم با استفاده از چارچوب خود، برخی از مواد امیدوارکننده را شناسایی و آزمایش کرده است.

محققان در واقع ماده جدیدی را شناسایی کرده‌اند که می‌تواند آزمایش‌های تشعشعات شدید را با موفقیت تحمل کند و در شرایط پرتنش رآکتور برای دوره‌های طولانی مقاومت کند.

استفاده از آلیاژهای مبتنی بر نیکل در رآکتورهای هسته‌ای

آلیاژهای مبتنی بر نیکل نقش مهمی در رآکتورهای هسته‌ای دارند. این مواد دارای خواص استثنایی مانند مقاومت بالا در برابر فرسایش و خوردگی، مقاومت مکانیکی در دماهای شدید و مقاومت در برابر آسیب تشعشع هستند.

به همین دلیل است که از آلیاژهای مبتنی بر نیکل به عنوان پوشش محافظ برای اجزای مختلف یک رآکتور هسته‌ای استفاده می‌شود.

به عنوان مثال از آنها برای روکش میله‌های سوخت مورد استفاده در یک رآکتور استفاده می‌شود. این روکش به عنوان یک مانع برای محتوی مواد رادیواکتیو و محافظت از سوخت در برابر مایع خنک کننده عمل می‌کند.

این آلیاژها همچنین برای اهداف مختلف دیگری مانند افزایش استحکام و دوام اجزای ساختاری متنوع در رآکتورها استفاده می‌شوند.

آزمایش این چارچوب جدید و یک ماده جدید

به گفته محققان، یک ماده پوششی ایده آل باید مقاومت بالایی در برابر خوردگی داشته باشد، زیرا در طول عملیات یک نیروگاه هسته‌ای باید در برابر دما و تشعشعات شدید مقاومت کند.

یک ماده پوششی ضعیف می‌تواند بر عملکرد رآکتور تأثیر منفی بگذارد و حتی مشکلات ایمنی ناشی از گرم شدن بیش از حد تا نشت تشعشعات را ایجاد کند.

این چارچوب جدید تمامی این عوامل را شناسایی کرده و پیشنهاد جایگزینی برای آلیاژهای مبتنی بر نیکل را ارائه داده است.

یینبین میائو پژوهشگر آزمایشگاه ملی آرگون گفت: ما با این چارچوب جدید، ورودی بیشتری از شبیه‌سازی‌ها داریم تا مطمئن شویم که هر تکرار به اندازه کافی پیشرفت می‌کند. ما مطمئن می‌شویم که هر تغییری سودمند خواهد بود و این به ما کمک می‌کند تا روند بهینه سازی را تسریع کنیم.

اساساً این کار شامل انجام آزمایش‌های مکرر تا یافتن راه‌حل بهینه است. به عنوان مثال، محققان با استفاده از این چارچوب، ماده‌ای را شناسایی کردند که می‌تواند جایگزینی برای آلیاژهای مبتنی بر نیکل باشد.

آزمایش مواد جدید

تیم تحقیقاتی این ماده جدید را با قرار دادن آن در معرض شرایط تشعشع بالا با استفاده از سیستم شتاب‌دهنده ATLAS(دستگاه بزرگی که برای مطالعه هسته‌های اتمی استفاده می‌شود) آزمایش کردند.

این ماده با ‌یون‌های سنگین بمباران شد تا شرایط تشعشع شدید در یک رآکتور شبیه‌سازی شود.

جالب توجه است که این ماده جدید سطح بالایی از مقاومت در برابر خوردگی را نشان می‌دهد که برای مقاومت در برابر محیط خشن داخل یک رآکتور هسته‌ای ضروری است. قابل ذکر است که این مقاومت، تمرکز اصلی پژوهشگران بود.

علاوه بر این، این آزمایش به محققان این امکان را داد تا تنها در یک روز، میزان قرار گرفتن در معرض شرایط رآکتور طی یک سال را شبیه‌سازی کنند.

نتایج امیدوارکننده

پژوهشگران می‌گویند: ایستگاه تابش مواد جدید ATLAS خواص مواد را در یک روز به همان اندازه که یک رآکتور هسته‌ای طی یک سال به آن می‌رسد(جز رادیواکتیویته طولانی‌مدت) نشان داد. مشخص شد که این ماده جدید در واقع می‌تواند در شرایط رآکتور مقاومت کند و در برابر خوردگی مقاومت بالایی از خود نشان دهد.

اکنون که این ماده آزمایش شده اهمیت بسیار زیادی برای کاربردهای هسته‌ای نشان داده است، محققان به زودی آن را ثبت اختراع خواهند کرد.

به گفته آنان، این نتایج با موفقیت نشان می‌دهند که این چارچوب می‌تواند به شناسایی جایگزین‌های امیدوارکننده آلیاژ نیکل منجر شود و می‌تواند هزینه‌های کلی ساخت و نگهداری رآکتور هسته‌ای را کاهش دهد. علاوه بر این، این مواد جایگزین را می‌توان به راحتی و با خیال راحت حمل کرد و خطرات احتمالی را کاهش داد.

با این حال، این فقط یک گام اولیه است و تحقیقات بیشتری برای اصلاح این چارچوب و ارزیابی کارایی این ماده در یک رآکتور هسته‌ای واقعی مورد نیاز است.