制造耐氢合金新方法出炉

制造耐氢合金新方法出炉

发布时间:2016-4-11
  高性能合金广泛用于一些非常重要的领域,例如核反应堆中用来保护燃料的包层。然而即使是最好的合金也会在核反应堆高温、辐射和富氢环境中逐渐遭到侵蚀。现在,美国麻省理工学院的研究人员找到一种新方法,可以大大减弱氢对合金的破坏。

  据麻省理工学院官网消息,该团队主要分析了广泛用于核工业中的锆合金。当核反应堆冷却剂中的水分子分裂后会释放出氢元素,这些氢元素会进入锆合金并与之发生反应。这会降低锆合金的延展性,使其提前脆裂并发生故障。

  研究人员发现,氢原子进入锆合金的第一道关口就是其表面的氧化层。如果对这层氧化物精心设计,它会阻止氢元素进入合金内部,或者以氢气的形式将氢元素再次“驱赶”出来。

  氢元素在进入锆合金内部之前,首先会溶解在其表面的氧化层中。实验证明,氢的溶解度可以通过在氧化层中掺入其他元素进行控制,其溶解度随着掺入元素为氧化层带来的电子数量而呈U型曲线变化。也就是说,有一类掺入元素可以将氢元素的渗透能力降至最低,阻止氢元素进入氧化层;另一类掺入元素则可以最大化地为氧化层带来电子,并促进氧化层释放出氢气。因此,为锆合金设计强大“屏障”的关键就是找到有效的掺入元素。

  鉴于此,研究人员发现两种有效策略:一种是“守”,旨在使氢元素的渗透最小化,可通过掺入铬元素来达到这一目的;一种是“放”,旨在使已经渗入的氢元素最大化地被释放出来,可通过掺入铌来达到这一目的。这些掺入元素可以在制造锆合金时加入,融入锆合金表面的氧化层。

  美国密歇根大学可持续能源、环境和地球系统工程教授加里·瓦斯教授评价说,氢的行为已被视为核反应堆在正常运行条件下最大的潜在挑战,而这项研究是从物理学角度理解氢在锆合金中行为的首次尝试。

  不过研究人员强调,这两种策略或是能应用于多种合金的通用方法,它们有潜力在多种重要领域提高合金材料的寿命。