隨著煤和石油等不可再生能源的減少,核能已經(jīng)成為人類的目標(biāo)能源。為了更安全地應(yīng)用核能,我們必須要找到可靠的抗輻射材料。近期,密歇根州立大學(xué)的研究人員研發(fā)了一種包含三種或三種以上元素的合金,具有超強(qiáng)的抗輻射能力。
在核工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用的金屬材料面臨的最大挑戰(zhàn)就是高溫下的抗輻射能力,一般的核燃料金屬保護(hù)層在高溫下都會(huì)膨脹,其體積甚至?xí)兂稍瓉?lái)的二倍。這種膨脹不僅會(huì)影響整體結(jié)構(gòu)的其他部分,還會(huì)使其強(qiáng)度降低。
密歇根州立大學(xué)核工程與放射科學(xué)的Lumin Wang 教授表示:“當(dāng)輻射粒子進(jìn)入金屬材料中的時(shí)候,原有晶格結(jié)構(gòu)中的原子被‘打’出來(lái),取代原子在金屬結(jié)構(gòu)中快速移動(dòng)。留下來(lái)的空位卻不能移動(dòng),如果同一區(qū)域中有多個(gè)原子被取代,這些空位就會(huì)聚合成為大的孔洞,從而影響材料性能。”
為了控制這些空洞的形成以及隨之而來(lái)的金屬膨脹,目前大多數(shù)的研究人員都把目標(biāo)放在如何創(chuàng)造納米級(jí)的內(nèi)部結(jié)構(gòu),使其在一定程度上吸收缺陷,從而保護(hù)原材料的完整性。但是Lumin Wang教授的研究團(tuán)隊(duì)卻選擇了最傳統(tǒng)的方法,創(chuàng)造出沒有晶格缺陷的合金。
Lumin Wang教授和他的同事們制造了一系列的鎳基合金試樣。這些合金具有很高的強(qiáng)度和延展性,是由相同含量的鎳、鈷、鐵或者鎳、鈷、鐵、鉻、錳組成的高密度固溶體。為了檢測(cè)其抗輻射能力,他們的合作者田納西州大學(xué)的研究人員將這些試樣暴露在核輻射中,其輻射水平相當(dāng)于在一個(gè)核反應(yīng)堆中心積累了幾年甚至幾十年。值得注意的是,該項(xiàng)輻射實(shí)驗(yàn)是在500℃下完成的,也就是傳統(tǒng)的鎳基合金發(fā)生膨脹的溫度。隨后,密歇根州立大學(xué)材料性能研究中心的研究人員用透射電鏡對(duì)經(jīng)過輻射的樣品進(jìn)行分析,他們發(fā)現(xiàn),該合金的抗輻射能力比傳統(tǒng)純鎳金屬的抗輻射能力高了100多倍。
為了進(jìn)一步解釋該合金的抗輻射特性,核工程與放射科學(xué)的理論專家Fei Gao教授在原子水平進(jìn)行了計(jì)算機(jī)仿真,發(fā)現(xiàn)其抗輻射能力歸因于被取代原子在材料中的運(yùn)動(dòng)形式。他解釋道:“簡(jiǎn)單地講,在合金中原子大小不同,相當(dāng)于形成了一些‘隆起’或‘凹坑’,取代原子就會(huì)因?yàn)槭艿脚鲎捕鴾p速。因此取代原子和晶格中的空位挨著很近,它們很容易結(jié)合到一起,從而使空位得到修復(fù),不能形成大的孔洞。”
目前,該項(xiàng)研究成果已經(jīng)發(fā)表在Nature Communications期刊。
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