Koolstof nanobuizen getoond om metalen te beschermen tegen stralingsschade

Anonim

Koolstof nanobuizen getoond om metalen te beschermen tegen stralingsschade

materialen

David Szondy

5 maart 2016

2 afbeeldingen

Het MIT-onderzoek zou kunnen leiden tot kernreactorcomponenten die beter bestand zijn tegen agressieve straling (Credit: Kernkraftwerk Gosgen-Daniken AG / Creative Commons)

Een internationaal team van wetenschappers onder leiding van MIT heeft ontdekt dat het toevoegen van kleine hoeveelheden koolstofnanobuizen aan metalen ze veel beter bestand maakt tegen stralingsschade. Hoewel het momenteel alleen wordt bewezen in metalen met lage temperaturen zoals aluminium, zegt het team dat het vermogen van de nanobuisjes om het afbraakproces te vertragen, de operationele levensduur van onderzoek en commerciële reactoren zou kunnen verbeteren.

Straling is niet alleen slecht voor levende wezens, het is ook slecht voor metalen - wat jammer is omdat kernreactoren vol zitten met die dingen. De constante blootstelling van metalen aan sterke straling maakt ze broos en poreus tot het punt waarop ze barsten en falen. Vanzelfsprekend heeft dit gevolgen voor de veiligheid en de economie van reactoren, dus het voorkomen van dit is een hoge prioriteit voor wetenschappers en ingenieurs.

Het probleem is dat ze worden gebombardeerd door radioactieve deeltjes en dat de atomen in het metaal transmuteren en splitsen. Dit veroorzaakt kleine belletjes helium te vormen in een soort van metalen geval van de bochten. Net zoals de bellen van stikstof die zich in het bloed van een duiker vormen als hij te snel opstijgt, schade kunnen aanrichten, net als de heliumbellen die zich vormen langs de randen van de kristallijne korrels waaruit de metalen bestaan. Uiteindelijk wordt het metaal poreus en bros en veel vatbaarder voor breuk.

Het MIT-team ontdekte dat door koolstofnanobuisjes te mengen met het metaal in hoeveelheden van minder dan twee volumeprocent tijdens de productie, het metaal veel beter bestand is tegen straling. Als de nanobuisjes gelijkmatig worden verdeeld, produceren ze wat het team een ​​percolerend eendimensionaal transportnetwerk noemt dat het helium uit het metaal geleidt voordat het schade kan aanrichten.

Een voorbeeld van hoe de onderzoekers aluminium hebben gemaakt met koolstofnanobuisjes erin (Credit: MIT)

Een interessant punt is dat het gieten en smeden van de metalen de nanobuisjes vernietigt door ze om te zetten in carbiden, maar ze laten hun eendimensionale vorm achter wat de wetenschappers vergelijken met insecten die in barnsteen zitten. Dit laat niet alleen het helium weglekken, maar herstelt ook de defecten door een manier te bieden voor het metaal om te recombineren, waardoor het minder broos wordt.

De onderzoekers ontdekten dat de eendimensionale structuur overleeft tot 70 DPA van stralingsschade in het behandelde metaal, DPA is een maatstaf voor het gemiddelde van hoe vaak elk atoom in een kristalrooster door straling uit zijn site wordt geslagen. In praktische termen vertaalt dit zich in een vijf- tot tienvoudige vermindering van verbrossing in vergelijking met een controlemonster.

Naast bescherming tegen straling, zegt het team dat de toevoeging van de nanobuizen de sterkte van het materiaal met de helft verbetert, evenals de ductiliteit verbetert.

Op dit moment is de techniek alleen bewezen voor aluminium, dat smelt bij lage temperaturen, maar het team test het op zirkonium en is ervan overtuigd dat het in het algemeen kan worden gebruikt in metalen met een hogere temperatuur. In de tussentijd zijn de koolstofnanobuizen al goedkoop, dankzij de industriële productie in Korea voor de auto-industrie, en het verbeterde aluminium kan worden toegepast in onderzoeksreactoren, ruimtevaartuigen en opslagcontainers voor nucleair afval.

Het onderzoek is gepubliceerd in Nano Energy .

Bron:

MIT

Een voorbeeld van hoe de onderzoekers aluminium hebben gemaakt met koolstofnanobuisjes erin (Credit: MIT)

Het MIT-onderzoek zou kunnen leiden tot kernreactorcomponenten die beter bestand zijn tegen agressieve straling (Credit: Kernkraftwerk Gosgen-Daniken AG / Creative Commons)