Forskare från Texas A&M University har nyligen visat överlägsen prestanda för en ny oxiddispersionsförstärkt (ODS) legering som de utvecklat för användning i både fissions- och fusionsreaktorer.

Dr Lin Shao, professor vid institutionen för kärnteknik, arbetat tillsammans med forskare vid Los Alamos National Laboratory och Hokkaido University för att skapa nästa generation av högpresterande ODS-legeringar, och hittills är de några av de starkaste och bäst utvecklade metallerna på området.

ODS-legeringar består av en kombination av metaller varvat med små, nanometerstora oxidpartiklar och är kända för sin höga krypmotstånd. Det betyder att när temperaturen stiger, materialen behåller sin form istället för att deformeras. Många ODS-legeringar tål temperaturer upp till 1, 000 C och används vanligtvis i kraftgenerering och motorer inom flygteknik, samt bestick.

Kärnkraftssamhället har ett stort behov av tillförlitliga och hållbara material för att utgöra kärnkomponenterna i kärnreaktorer. Materialet måste vara höghållfast, strålningstolerant och resistent mot hålrumsvullnad (material utvecklar håligheter när de utsätts för neutronstrålning, leder till mekaniska fel).

Kärnkraftsforskare som Shao försöker konsekvent identifiera krypbeständiga och svällningsbeständiga material av hög kvalitet för deras användning i högtemperaturreaktorer.

"I allmänhet, ODS-legeringar bör vara resistenta mot svullnad när de utsätts för extrem neutronbestrålning, " sade Shao. "Men, Majoriteten av kommersiella ODS-legeringar är problematiska från början."

Detta beror på att nästan alla kommersiella ODS-legeringar är baserade på den ferritiska fasen. Ferritiska legeringar, klassificeras efter deras kristallina struktur och metallurgiska beteende, har god duktilitet och rimlig hållfasthet vid hög temperatur. Dock, den ferritiska fasen är den svagaste fasen när den bedöms utifrån dess svällningsmotstånd, gör därför majoriteten av kommersiella ODS-legeringar att misslyckas i den första försvarslinjen.

Shao, internationellt känd för sitt banbrytande arbete inom strålningsmaterialvetenskap, leder acceleratorlaboratoriet för att testa legeringar under extrema bestrålningsförhållanden. Shao och hans forskargrupp samarbetade med den japanska forskargruppen vid Hokkaido University under ledning av Dr. Shigeharu Ukai för att utveckla olika nya ODS-legeringar.

"Vi bestämde oss för att utforska en ny designprincip där oxidpartiklar är inbäddade i den martensitiska fasen, vilket är bäst för att minska tomrumsvullnad, snarare än den ferritiska fasen, " sa Shao.

De resulterande ODS-legeringarna kan överleva upp till 400 förskjutningar per atom och är några av de mest framgångsrika legeringarna som utvecklats på området, både vad gäller högtemperaturhållfasthet och överlägsen svällmotstånd.

Detaljer om hela projektet publicerades i Journal of Nuclear Materials tillsammans med den senaste studien. Teamet har sedan dess genomfört flera studier och uppmärksammats från det amerikanska departementet för energi och kärnkraftsindustrin. Projektet resulterade i totalt 18 journalartiklar och två doktorsavhandlingar.