Ny forskning från forskare från Texas A&M University kan hjälpa till att öka effektiviteten hos kärnkraftverk inom en snar framtid. Genom att använda en kombination av fysikbaserad modellering och avancerade simuleringar hittade de de viktigaste underliggande faktorerna som orsakar strålningsskador på kärnreaktorer, vilket sedan skulle kunna ge insikt i att designa mer strålningstoleranta, högpresterande material.

"Reaktorer måste köras med antingen högre effekt eller använda bränsle längre för att öka sin prestanda. Men sedan, vid dessa inställningar, ökar också risken för slitage", säger Dr Karim Ahmed, biträdande professor vid institutionen för kärnteknik. "Så det finns ett akut behov av att komma med bättre reaktordesigner, och ett sätt att uppnå detta mål är att optimera materialen som används för att bygga kärnreaktorerna."

Resultaten av studien publiceras i tidskriften Frontiers in Materials .

Enligt energidepartementet överträffar kärnenergin alla andra naturresurser i kraftuttag och står för 20 % av USA:s elproduktion. Källan till kärnenergi är fissionsreaktioner, där en isotop av uran delar sig i dotterelement efter en träff från snabbrörliga neutroner. Dessa reaktioner genererar enorm värme, så kärnreaktorernas delar, särskilt pumparna och rören, är gjorda av material som har exceptionell styrka och motståndskraft mot korrosion.

Men fissionsreaktioner producerar också intensiv strålning som orsakar en försämring av kärnreaktorns strukturella material. På atomnivå, när energisk strålning infiltrerar dessa material, kan den antingen slå av atomer från deras platser, orsaka punktdefekter, eller tvinga atomer att ta tomma ställen och bilda interstitiella defekter. Båda dessa ofullkomligheter stör det regelbundna arrangemanget av atomer i metallkristallstrukturen. Och sedan, det som börjar när små defekter växer och bildar tomrum och dislokationsslingor, vilket äventyrar materialets mekaniska egenskaper över tiden.

Även om det finns en viss förståelse för vilken typ av defekter som uppstår i dessa material vid strålningsexponering, sa Ahmed att det har varit svårt att modellera hur strålning, tillsammans med andra faktorer, såsom temperaturen på reaktorn och materialets mikrostruktur, tillsammans bidra till bildningsdefekterna och deras tillväxt.

"Utmaningen är beräkningskostnaden", sa han. "Tidigare har simuleringar varit begränsade till specifika material och för regioner som sträcker sig över några mikrometer, men om domänstorleken ökas till ens 10s mikron, hoppar beräkningsbelastningen drastiskt."

I synnerhet, sa forskarna att rymma större domänstorlekar, tidigare studier har kompromissat med antalet parametrar inom simuleringens differentialekvationer. Men en oönskad konsekvens av att ignorera vissa parametrar framför andra är en felaktig beskrivning av strålningsskadan.

För att övervinna dessa begränsningar designade Ahmed och hans team sin simulering med alla parametrar, utan att göra några antaganden om huruvida en av dem var mer relevant än den andra. För att utföra de nu beräkningstunga uppgifterna använde de resurserna från Texas A&M High Performance Research Computing-gruppen.

När de körde simuleringen visade deras analys att användning av alla parametrar i olinjära kombinationer ger en korrekt beskrivning av strålningsskador. I synnerhet, förutom materialets mikrostruktur, är strålningsförhållandena i reaktorn, reaktordesignen och temperaturen också viktiga för att förutsäga instabiliteten i material på grund av strålning.

Å andra sidan belyser forskarnas arbete också varför specialiserade nanomaterial är mer toleranta mot tomrum och dislokationsslingor. De fann att instabiliteter bara utlöses när gränsen som omsluter kluster av samorienterade atomkristaller, eller korngräns, är över en kritisk storlek. Så nanomaterial med sina extremt fina kornstorlekar undertrycker instabiliteter och blir därmed mer strålningstoleranta.

"Även om vår är en grundläggande teoretisk och modelleringsstudie, tror vi att den kommer att hjälpa kärnkraftssamhället att optimera material för olika typer av kärnenergitillämpningar, särskilt nya material för reaktorer som är säkrare, mer effektiva och ekonomiska," sa Ahmed. "Dessa framsteg kommer så småningom att öka vårt bidrag till rena, kolfria energi."

Dr Abdurrahman Ozturk, en forskningsassistent på kärntekniska avdelningen, är huvudförfattaren till detta arbete. Merve Gencturk, en doktorand vid kärnteknikavdelningen, bidrog också till denna forskning.