Nowy materiał odporny na promieniowanie

Jednym z głównych problemów technologicznych związanych z energetyką jądrową jest niszczenie materiałów konstrukcyjnych pod wpływem napromieniowania. Rozwiązaniem tego problemu może być zastosowanie tzw. stopów o wysokiej entropii - nowej klasy materiałów składających się, w odróżnieniu od tradycyjnych materiałów, z czterech lub więcej składników o podobnym stężeniu. Stopy te cechują się wysoką entropią konfiguracyjną, czyli dużym stopniem nieuporządkowania atomów, wyjątkową mikrostrukturą i unikalnymi właściwościami. Jak wynika z najnowszych badań opublikowanych w czasopiśmie Science Advances, stop o wysokiej entropii W-Ta-Cr-V jest niezwykle odporny na promieniowanie i zachowuje znakomite właściwości mechaniczne. Z tego względu materiał ten jest atrakcyjnym kandydatem do zastosowań w elementach konstrukcyjnych przyszłych reaktorów jądrowych lub syntezy termojądrowej.

Publikacja jest efektem międzynarodowej współpracy naukowców z Wydziału Inżynierii Materiałowej Politechniki Warszawskiej z naukowcami z Los Alamos National Laboratory, Argonne National Laboratory i Pacific Northwest National Laboratory w USA oraz z Culham Centre for Fusion Energy w Anglii. Grupa dr. inż. Jana Wróbla, w ramach realizacji grantu w programie HOMING Fundacji na rzecz Nauki Polskiej na Politechnice Warszawskiej, odpowiedzialna była za stworzenie modelu teoretycznego, który wyjaśnił przyczynę wydzielania w stopie faz o zwiększonej zawartości atomów V i Cr.

- Ze względu na olbrzymią liczbę możliwych kombinacji, zarówno doboru pierwiastków jak i ich stężeń, eksperymentalne przebadanie wszystkich kombinacji stopów nie jest możliwe. Dlatego materiały te są ciągle mało poznane. Głównym celem naszych badań jest zrozumienie, w jaki sposób uporządkowanie atomowe oraz podstawowe właściwości stopów zależą od stężeń poszczególnych pierwiastków oraz od temperatury. Stworzony przez mój zespół model, polegający na połączeniu metod obliczeniowych opartych na mechanice kwantowej z metodami statystycznymi, wykazał, że w stopie W-Ta-Cr-V występuje silna tendencja do przyciągania pomiędzy atomami V i Cr, które jest przyczyną wydzielania faz V-Cr obserwowanych eksperymentalnie przez naszych współpracowników z USA. Co więcej, symulacje komputerowe przeprowadzane systematycznie w szerokim zakresie stężeń i temperatur mogą się przyczynić do znalezienia optymalnego składu stopu, który potencjalnie może mieć jeszcze lepsze właściwości niż ten opisany w naszej publikacji - mówi dr inż. Jan Wróbel.

(a) Zmiana stężeń poszczególnych pierwiastków pomiędzy osnową i wydzielonymi fazami o zwiększonej zawartości Cr i V uzyskana przy użyciu Tomografii Sondy Atomowej (ang. Atom Probe Tomography) dla napromieniowanej próbki stopu W38Ta35Cr16V11 (b) Reprezentatywna struktura z wydzieloną fazą o zwiększonej zawartości atomów V i Cr oraz (c) zmiana stężeń poszczególnych pierwiastków wzdłuż kierunku krystalograficznego [100] uzyskana przy użyciu symulacji Monte Carlo

Dr inż. Jan Wróbel jest absolwentem Wydziału Fizyki Politechniki Warszawskiej. Stopień doktora uzyskał na Wydziale Inżynierii Materiałowej Politechniki Warszawskiej, gdzie obecnie jest zatrudniony jako specjalista naukowo-techniczny.