一种设计耐氢锆合金的新方法 2017-03-01 07:07:26

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一个艺术家在多彩计算谷前呈现核燃料棒预测合金成分麻省理工学院的研究人员开发了一种设计耐氢锆合金的新方法,这种方法可用于核反应堆高科技金属合金广泛用于重要的材料,如保护核反应堆内的燃料的包层但是即使是最好的合金随着时间的推移而降解,反应堆的高温,辐射和富氢环境的受害者现在,麻省理工学院的一个研究小组已经找到了一种方法减少这些金属遭受氢气破坏的影响该团队的分析主要集中在核工业中广泛使用的锆合金,但他们发现的基本原理可适用于其他能源系统和基础设施应用中使用的许多金属合金,研究人员说,这项研究结果发表在MIT Associat的一篇论文“物理评论应用”杂志上e博士Yildsef教授Bilge Yildiz和研究生Ming Yang Hydrogen,当反应堆冷却剂中的水分子分裂时释放,可以进入金属并与之反应这导致金属的延展性或其能力下降在压裂之前维持机械负荷反过来可能导致过早开裂和失效在核电站中,“包层的机械完整性非常重要,”Yildiz说,所以找到改善其寿命的方法是一个高优先级但是它事实证明,氢原子初始进入金属主要取决于在金属表面形成的层的特性在高温水中锆的表面上自然形成氧化锆涂层,它起到一种保护屏障如果经过精心设计,这层氧化物可以抑制氢进入金属的晶体结构或其他Yildiz说,虽然研究人员几十年来一直在研究氢脆,但Yildiz说,“几乎所有的工作都是关于金属内氢的变化:后果是什么,它会在哪里发生,它是如何导致脆化的

我们从这些研究中学到了很多东西“但是关于氢气如何进入内部的工作却很少,她说氢气如何通过这个表面氧化层进入,或者它如何作为气体从该层排出尚未量化“如果我们知道它是如何进入或如何从表面排出或排出,这使我们能够预测可以降低​​进入率的表面修饰,”Yildiz说她的团队发现它是可能做到这一点,提高屏障阻挡进入的氢的能力,可能高达千倍氢必须首先溶解在氧化层中,然后渗透到下面的金属体中但氢的溶解可以通过掺杂来控制那层 - 也就是说,通过将另一种元素的原子引入其中团队发现,氧化物中氢的溶解量遵循谷形曲线,这取决于掺杂元素将电子引入氧化物层的能力“有一种特定类型的掺杂元素可以最大限度地降低氢的穿透能力,而其他掺杂元素可以在氧化物中引入最大量的电子,并促进氢气的排放

氧化物表面,“Mostafa说,因此能够预测属于每种类型的掺杂剂是制造有效屏障的关键技巧该团队的研究结果提出了两种可能的策略,一种旨在最大限度地减少氢气渗透,另一种旨在最大限度地减少氢气渗透

确实进入的氢原子阻塞策略是“通过结合适当数量的元素(例如铬)来”定位谷底“,这产生了这种效果

另一种策略是基于不同的元素,包括铌,推动氢从氧化物表面流出并保护下面的锆合金掺杂可以通过掺入sma来实现研究小组表示,将掺杂金属的量加入到初始锆合金基体中,这样就可以将其掺入到金属上自然形成的氧化层中

 该团队强调,他们发现的可能是一种通用方法,可以应用于在其表面形成氧化层的各种合金,因为大多数情况下,他们的方法可以改善化石燃料工厂中使用的合金的寿命,桥梁,管道,燃料电池和许多其他应用“任何金属暴露在高温和水中的地方,”Yildiz说 - 例如用于石油和天然气开采的设备 - 这种工作可能适用的潜在情况“商业核电团体认为氢的行为可能是正常运行条件下核反应堆燃料性能的最大挑战,最近,作为事故条件下的安全问题,“可持续能源教授Gary Was说道

密歇根大学的环境和地球系统工程,他们没有参与这项工作

这些资源采取的问题的方法他说,“这是一种独特而有趣的东西,但同样重要的是,它首次尝试提供基于物理学的对锆合金中氢行为的理解”,而本文尚未回答有关这种材料的所有问题,他说:“Yildez和她的学生采用的方法将这一主题的讨论提升到了更高的水平,无疑将刺激更多以物理学而非经验主义为基础的研究”这项工作得到了轻水反应堆高级模拟联盟的支持

由美国能源部资助,计算支持由美国国家科学基金会出版物提供:Mostafa Youssef,Ming Yang和Bilge Yildiz,“在氢溶解度谷中掺杂:设计耐氢锆合金的途径,“Phys Rev Applied,2016,5,014008; doi:101103 / PhysRevApplied5014008资料来源:麻省理工学院新闻大卫L钱德勒