Az Egyesült Államokban termelt villamos energia mintegy 20 százaléka már most is atomerőművekből származik. Ez azonban nem elég. Ha az ország vezető szerepet akar betölteni a tiszta energia területén, akkor fel kell lendítenie atomenergia-programját, és minden eddiginél hatékonyabbá kell tennie atomerőműveit – írja az Interesting Engineering.
Az atomreaktorok nagy problémája, hogy függnek a nikkelalapú ötvözetektől, amelyek drágák, és bőségesen találhatók olyan országokban (például Oroszországban, Indonéziában, a Fülöp-szigeteken), amelyek nem mindig ápolnak jó viszont az USA-val. Ráadásul a nikkelérc magas nedvességtartalma szállítási kihívásokat is jelent.
E problémák megoldására az Energiaügyi Minisztérium (DOE) Argonne Nemzeti Laboratóriumának (AGL) kutatócsoportja kidolgozott egy keretrendszert, hogy olyan anyagot találjon, amely helyettesítheti ezeket a nikkelalapú ötvözeteket. Az AGL csapata a keretrendszert felhasználva azonosított és tesztelt néhány ígéretes anyagot.
Sőt, a kutatók azonosítottak egy olyan új anyagot, amely sikeresen kiállja az intenzív sugárzási teszteket, és hosszabb időn keresztül ellenáll a szélsőséges reaktorkörülményeknek.
Az Argonne Nemzeti Laboratórium épülete. (Fotó: AGL)
A nikkelalapú ötvözetek döntő szerepet játszanak az atomreaktorokban. Ezek az anyagok kivételes tulajdonságokkal rendelkeznek, például nagyfokú korrózióállósággal, mechanikai szilárdsággal extrém hőmérsékleten és a sugárzás okozta károsodással szembeni ellenállással. Ezért használják a nikkelalapú ötvözeteket az atomreaktor különböző alkatrészeinek védőbevonataként.
Például ezeket használják a reaktorban használt fűtőelemek burkolására. A burkolat gátként szolgál a radioaktív anyagok visszatartására és az üzemanyag hűtőközeggel szembeni védelmére.
Ezeket az ötvözeteket számos más célra is használják, például a reaktorok különböző szerkezeti elemeinek szilárdságának és tartósságának növelésére.
A kutatók szerint egy ideális bevonóanyagnak magas korrózióállósággal kell rendelkeznie, mivel az atomerőmű működése során szélsőséges hőmérsékleteknek és sugárzásnak kell ellenállnia.
Egy rossz bevonóanyag hátrányosan befolyásolhatja a reaktor teljesítményét, és akár biztonsági problémákat is okozhat a túlmelegedéstől a sugárszivárgásig.
Az új keretrendszer mindezeket a tényezőket figyelembe veszi a nikkelalapú ötvözetek alternatívájának azonosítása és javaslattétele során. „Ezzel az új keretrendszerrel több inputot kapunk a szimulációkból, hogy megbizonyosodjunk arról, hogy minden egyes iteráció elegendő javulást eredményez. Meggyőződünk arról, hogy minden egyes változtatás előnyös lenne, és ez segít felgyorsítani az optimalizálási eljárást” – mondta Yinbin Miao, az AGL kutatója.
Ismételt kísérleteket és teszteléseket végeznek, amíg optimális megoldást nem találnak. A keretrendszer segítségével a kutatók például azonosítottak egy olyan anyagot, amely a nikkelalapú ötvözetek alternatívájaként működhet.
Az Egyesült Államok célul tűzte ki, hogy 2035-re villamos energiájának 100 százalékát megújuló energiaforrásokból állítsa elő, és az atomenergia fontos szerepet fog játszani a tiszta energiára való átállásban. (Fotó: Canva)
A kutatócsoport úgy tesztelte az új anyagot, hogy magas sugárzásnak tette ki azt az Argonne Tandem Linac Accelerator System (ATLAS) nevű rendszer segítségével, amely egy olyan berendezés, amelyet atommagok tanulmányozására használnak.
Az anyagot nehézionokkal bombázták, hogy szimulálják a reaktorban uralkodó intenzív sugárzási körülményeket.
Érdekes módon az új anyag nagyfokú korrózióállóságot mutatott, ami elengedhetetlen ahhoz, hogy ellenálljon az atomreaktorok zord környezetének. Ez az ellenállás volt a kutatók elsődleges célja. Emellett a tesztek lehetővé tették a kutatók számára, hogy egyetlen nap alatt szimulálják az egyéves reaktorterhelést.
„Az új ATLAS anyagsugárzó állomás egy nap alatt annyira rontotta az anyag tulajdonságait, mint egy atomreaktor egy év alatt, mínusz a hosszan tartó radioaktivitás. Bebizonyították, hogy az új anyag valóban képes ellenállni a reaktorkörülményeknek és a korróziónak” – jegyzik meg a kutatók.
A tesztelt anyag hatalmas potenciált mutatott a nukleáris alkalmazásokban, ezért az AGL csapata szabadalmaztatni fogja.
Ezek az eredmények sikeresen mutatják, hogy a keretrendszer ígéretes nikkelötvözet-alternatívák azonosításához vezethet. Ez csökkentheti az atomreaktorok építésének és karbantartásának összköltségeit. Emellett ezek az alternatív anyagok könnyen és biztonságosan szállíthatóak, csökkentve a potenciális veszélyeket. Ez azonban csak egy kezdeti lépés, és további kutatásokra van szükség a keretrendszer finomításához és hatékonyságának értékeléséhez egy valódi atomreaktorban.
Kiemelt kép forrása: Canva
S.Rita
