Materialforskare från National University of Science and Technology "MISIS" (NUST MISIS) utvecklade ett unikt sandwichstål-vanadin-stålmaterial som tål temperaturer på upp till 700°C, exponering för hård strålning, mekanisk stress och kemisk exponering under lång tid. Materialet kan användas i skalen till kärnreaktorhärdar.

Stavarna tillhör kärnreaktorns nyckelfunktionella enheter. De kommer i kontakt med uranbränsle och styr intensiteten av kärnreaktionen. Huvudproblemet med den nya generationens snabba neutronkärnreaktorer, som möjliggör återanvändning av uran, är de allvarliga belastningar som dessa stavar utsätts för.

De maximala driftstemperaturerna för bränsleelementskalen i den nya generationens reaktorer når 550-700°C. Natrium, det flytande metallkylmedlet, verkar utanför. Belastningarna som skapas är mycket högre än de som kärnskalen i befintliga reaktorer tål.

För att stänga kärnbränslecykeln i en ny generation snabb neutronreaktor, nya strukturella material som kan ge en högre bränsleutbränning jämfört med vad som för närvarande uppnås, är behövda. Dessa material ska tåla skadliga stråldoser på upp till 180-200 dpa (förskjutningar per atom), istället för maximalt 100-130 dpa, som är typiska för befintliga material.

Under sådana förhållanden, skalstänger av stål kan helt enkelt inte fungera. Materialforskarnas mål att skapa material som skulle kunna motstå den samtidiga påverkan av flera faktorer i en superaggressiv yttre miljö under lång tid.

"Vårt team har utvecklat ett trelagersmaterial, "stål/vanadinlegerat stål". Det ferritiska korrosionsbeständiga stålet i den ger korrosionsbeständighet, och vanadinlegeringen (V-4Ti-4Cr) ger värmebeständighet och strålningsbeständighet som är tillräcklig för att motstå effekterna av ultrastela miljöer i en kärnreaktor", Aleksandra Baranova, forskningsmedförfattare, doktorand vid NUST MISIS Institutionen för metallurgisk vetenskap och styrkefysik, säger.

Enligt henne, att skapa en sådan komposit är inte en lätt uppgift, eftersom de två materialen ska vara så monolitiska som möjligt i fogarna.

"Problemet löstes genom användningen av komplex deformation och värmebehandling av treskiktsämnen, inklusive varm samextrudering (pressning), radialsmide och fogvalsning. Som ett resultat, en "övergångszon" bildas vid komponenternas gräns. Materialen diffunderar in i varandra, som ger hög styrka i deras anslutning, säger Alexandra.

Som ett resultat, stål och vanadinlegering "växer" till varandra, rapporterar forskare. Forskargruppen lyckades skapa en prototyp av kärnskalet, som är ett monolitiskt trelagersrör.

Laboratorietester visar hög mekanisk hållfasthet hos kompositen vid driftstemperaturer på upp till 700°C. Inom en snar framtid, forskare planerar att påbörja långtidsstudier av sandwichmaterialet för strålningsmotstånd.