Ученые проектируют структуру для оптимизации открытий покрытий ядерного материала

Лучшая основа для оптимизации обнаружения материалов, подходящих для использования в ядерных реакторах, может помочь США достичь своих целей в области чистой энергии.Кредит: Национальная лаборатория аргонов

Сплавы на основе никеля, критические материалы, используемые во многих передовых ядерных реакторах, поставляются с нежелательным багажом.Помимо того, что быть очень дорогим, никелевая руда добывается в политически чувствительных частях мира.Руда также имеет высокое содержание влаги, которое может создавать проблемы безопасности для тех, кто транспортирует руду на грузовых кораблях, потому что груз может прорваться и создавать дисбаланс нагрузки.

Несмотря на сопоставимую прочность Никеля и несколько заметных преимуществ по сравнению с сталью, включая тяжелую сопротивление коррозии и структуру, которая может противостоять суровой среде внутри ядерных реакторов, стимисты хотели бы обнаружить альтернативные материалы.

Эксперты по ядерной науке и технике в Национальной лаборатории Министерства энергетики США (DOE) в течение последних двух лет работали над разработкой основы для ускорения открытия новых материалов, соответствующих ядерным реакторам.Эти новые материалы будут использоваться вместо критических минералов, таких как никелевые сплавы.

Обнаружение соответствующих новых материалов важно, потому что продвижение ядерной энергетики следующего поколения является центральным в усилиях США по производству чистой энергии и достижению целей декарбонизации.

«С помощью этой новой структуры у нас есть больше ввода из мультифизических моделирования, чтобы убедиться, что каждая итерация дает достаточно улучшения. Мы гарантируем, что каждое изменение будет полезным, и это помогает нам ускорить процедуру оптимизации»,-сказал Иньбин Мяо из Argonne NationalЛаборатория.

«Требуется очень сложная процедура, чтобы продемонстрировать и квалифицировать покрытие для использования в ядерном реакторе», - пояснил Иньбин Мяо, научный сотрудник главного материала Аргона и ведущий исследователь команды, проводящего исследование.

«Используя многофизическую модель, информированную в результате экспериментальных измерений, мы имеем больше понимания различных аспектов проблемы. Это помогает нам найти оптимизированный рецепт или толщину различных слоев, которые используют никелевые сплавы. Это помогает нам понять, какой будет материал композицияНеобходимо для того, чтобы у нас была модель для ускорения скорости оптимизации ».

MIAO имеет опыт работы с мультифизическим моделированием ядерных систем и анализа производительности материала в суровых условиях в ядерных реакторах.Sumit Bhattacharya, также основной научный сотрудник материалов, является экспертом по покрытию для экстремальных приложений окружающей среды.Он фокусируется на выявлении архитектуры передового материала, а также ее разработки и оптимизации для сложных проектов.

Основной ядерный инженер Эд Хоффман моделирует техно-экономические преимущества каждого нового материала и то, как каждый материал действительно влияет на зависимость от критических материалов.Ахмед Амин Абдельхамид, инженер -ядерный инженер, является экспертом в области нейтриники и исследований изменений в эффективности реактора на основе поведения материалов, изученных в экспериментах.

Кроме того, постдокторский исследователь вскоре Кью Ли помогает команде с моделированием и Wei-ying Chen, еще одним ученым-ученом аргонов с опытом в области характеристики материалов, помогает измерить некоторые ключевые свойства покрытия, необходимые для моделирования.

«Ранее мы делали тест, который показывает, что материал недостаточно хорош, а затем мы изменили некоторые параметры и в конечном итоге получили более оптимальное решение», - сказал Миао.«С этой новой структурой у нас есть больше ввода из мультифизического моделирования, чтобы убедиться, что каждая итерация дает достаточное улучшение. Мы гарантируем, что каждое изменение будет полезным, и это помогает нам ускорить процедуру оптимизации».

Ключевым качеством, которое команда ищет в материалах -кандидатах, является коррозионная стойкость.Это качество необходимо, потому что внутренняя часть ядерного реактора является интенсивной радиацией и высокотемпературной средой.Материальные покрытия должны обладать механической прочностью, но им также необходимо продемонстрировать устойчивость к коррозии как во время нормальных операций, так и сценариев несчастных случаев.

Чтобы изучить коррозионную стойкость и силу материала одного многообещающего материала, команда использовала новую возможность в системе Argonne Tandem Accelerator Accelerator (ATLAS), пользовательском учреждении DOE.

Они бомбардировали свою цель тяжелыми ионами Атласа для имитации высоких условий радиации внутри реактора.Новая станция облучения материалов Атласа ухудшала свойства материала так же сильно за день, как и ядерный реактор за год, за исключением долгосрочной радиоактивности.Они продемонстрировали, что новый материал действительно может противостоять условиям реактора и сопротивляться коррозии.

«Мы хотели создать структуру, которая работает для разных покрытий, но нам также нужно было обеспечить демонстрационный случай», - сказал Миао.«В противном случае это был просто пример фреймворта без какой -либо демонстрации».

Команда подаст патент на новый материал для покрытия и в настоящее время требует большего финансирования для дальнейшего изучения его свойств.