栏目分类

联系方式


地址:
联系人:
手机:
电话:
传真:
Q Q:
E-mail:
网址:

案例展示

当前位置:彩专家人工计划网页版 > 案例展示 > 一种设计耐氢锆合金的新方法

一种设计耐氢锆合金的新方法

发布时间:2018-05-15 浏览次数:17

来自MIT的研究人员开发了一种新的设计耐氢锆合金的方法,这种方法可用于核反应堆。 / em

高科技金属合金广泛用于重要材料,例如保护核反应堆内燃料的覆层。但即使是最好的合金也会随着时间的推移而退化,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大大减少这些金属暴露于氢气的破坏性影响的方法。

研究人员说,该团队的分析重点是在核工业中广泛使用的锆合金,但他们发现的基本原理可能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。该研究结果发表在“物理评论应用”期刊上,由MIT副教授Bilge Yildiz,博士后Mostafa Youssef和研究生Ming Yang撰写。

当来自反应堆冷却剂的水分子分解时释放的氢可以进入金属并与其反应。这会导致金属的延展性降低,或者在压裂之前维持机械负载的能力下降。这反过来会导致过早的开裂和失败。在核电站,“这种包层的机械完整性是非常重要的,”Yildiz说,因此找到改善其使用寿命的方法是重中之重。

但事实证明,氢原子最初进入金属主要取决于在金属表面形成的层的特性。

氧化锆涂层在高温水中在锆的表面上自然形成,并且它起到一种保护屏障的作用。如果精心设计,这层氧化物可以抑制氢进入金属的晶体结构。或者,在其他条件下,它可以以气体形式排放氢气。

虽然研究人员几十年来一直在研究氢脆,但是Yildiz说:“几乎所有的工作都是关于金属内氢气发生了什么:它会产生什么后果?它会发生什么?它会如何导致脆化?我们从这些研究中学到了很多东西。“但是,氢气首先进入内部的工作很少,她说。氢气如何通过该表面氧化层进入,或者如何将其作为来自该层的气体排出,尚未量化。

“如果我们知道它是如何进入的,或者它是如何从表面排出或喷出的,那么我们就可以预测表面的变化,从而降低进入的速度,”Yildiz说。她的团队发现有可能做到这一点,提高屏障阻止进入氢气的能力,可能达到千倍。

氢必须首先在氧化层中溶解,然后渗透到下面的金属块中。但氢的溶解可以通过掺杂该层来控制 - 也就是通过向其中引入另一种元素或多种元素的原子。研究小组发现,氧化物中氢的溶解度遵循谷形曲线,这取决于掺杂元素将电子引入氧化层的能力。

“有一种掺杂元素可以使氢的穿透能力降至最低,而其他掺杂元素可以在氧化物中引入最大量的电子,并促进氢气正好在氧化物表面喷射,”Mostafa说。所以能够预测属于每种类型的掺杂剂是形成有效屏障的基本技巧。

该小组的研究结果表明了两种潜在的策略,一种旨在最大限度地减少氢渗透,一种最大限度地减少氢原子排出。

阻挡策略是“通过合并适量的元素,如铬,产生这种效果,以”瞄准谷底“。另一种策略是基于包括铌在内的不同元素,其将氢从氧化物表面推出并保护下面的锆合金。

该团队表示,掺杂可以通过将少量掺杂剂金属掺入初始锆合金基体中来实现,从而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的方法,可以应用于各种形成表面氧化层的合金,正如大多数人所做的那样。他们的方法可以改善用于化石燃料厂,桥梁,管道,燃料电池和其他许多应用的合金的寿命。

“任何有金属暴露于高温和水的地方,”Yildiz说 - 例如在石油和天然气开采中使用的设备 - 是这项工作可能适用的潜在情况。

“在商业核电领域中,氢的行为被认为可能是正常运行条件下核反应堆燃料性能的最大挑战,而最近,作为事故条件下的安全问题,”可持续发展教授Gary Was说道,能源,环境和地球系统工程在密歇根大学,谁没有参与这项工作。他说,这些研究人员所采取的解决问题的方法“独特而有趣,但同样重要,它是第一次尝试提供基于物理学理解氢在锆合金中的行为。”

尽管本文并未回答有关这些材料的所有问题,但他说,“Yildez和她的学生采取的方法将这一主题的讨论提高到了一个更高的层次,毫无疑问将激发更多基于物理学而不是经验主义的研究“。

这项工作得到了美国能源部资助的轻水反应堆先进模拟联盟的支持,计算支持由美国国家科学基金会提供。

出版物:Mostafa Youssef,Ming Yang和Bilge Yildiz,“氢在溶解度中的掺杂:设计耐氢锆合金的途径”,Phys。 Rev.Applied,2016,5,014008; DOI:10.1103 / PhysRevApplied.5.014008

资料来源:麻省理工新闻David L. Chandler


Copyright © 2017 彩专家人工计划网页版 版权所有