Metaller färdas framåt i tiden vid Ion Accelerator Laboratory, en anläggning inom Texas A&M Universitys avdelning för kärnteknik och forskare inom institutionens Ion Beam Laboratory -grupp påskyndar klockan på metalllegeringar och stål.

Forskarna använder joner som surrogater för neutronstrålning för att på kort tid se hur stabila dessa metaller är efter att de utstå förhållanden från decennier av användning i en kärnreaktor.

"Vi tar i huvudsak dessa legeringar och bestrålar med joner för att uppnå skador som ses under reaktorliknande förhållanden, "sa Jonathan Gigax, en examen biträdande forskare som arbetar under laboratoriets huvudutredare, Docent Lin Lin Shao. "Detta är viktigt eftersom det i nuvarande reaktoranläggningar tar årtionden att nå de nivåer av slitage som dessa metaller kommer att se i nästa generations reaktorer. Så vi använder jonacceleratorer eftersom de kan nå det mycket snabbare."

Enligt Gigax, det finns ett antal skillnader mellan jon- och neutronbestrålning som förhindrar en-till-en-jämförelser. Dock, många tidiga studier och färska studier visar att vissa beteenden är mycket lika i båda miljöerna. Detta hjälper till att kvalificera tekniken och gör att forskare snabbt kan screena ett stort antal kandidatlegeringar. Resultaten ger en förståelse för de unika egenskaper som gör vissa legeringar strålningsbeständiga så att nya legeringar kan utvecklas för användning i reaktorkonstruktion och bidra till effektiv användning av reaktorns bränsle. För att uppnå optimal effektivitet måste reaktorn arbeta vid hög uppbränning, som lägger stress på metaller och legeringar i reaktorn. För att uppnå mycket effektiva bränsleförbränningar, legeringar som kan motstå mikrostrukturella förändringar från skador som produceras av neutronstrålning, även känd som kryp och svullnad, är nödvändiga för att säkerställa en lång livslängd för reaktorn.

"Ett bra exempel på krypfenomen skulle vara en glödtråd i en glödlampa, "Sade Gigax." Glödtråden förblir vid en mycket hög temperatur under en lång tid och deformeras långsamt tills den går sönder. Samma sak kan hända med stål vid höga temperaturer eller under stora påfrestningar, så tanken var att vi behövde utveckla en legering som inte uppvisar kryp i stor utsträckning. "

Stålen som används i reaktorn, till följd av kryp och svullnad, genomgå deformation och ändra reaktorns driftsbeteende. Enkristallmetaller är krypbeständiga men är dyra att tillverka och uppvisar vanligtvis mer tom svullnad än polykristallina motsvarigheter. Mycket små korn ger bättre svällningsmotstånd men gör stålet känsligt för krypning.

Gigax jämför fenomenen med sand i ett timglas, där sandkornen är mycket fina och kan rinna från ena änden av timglaset till den andra. Metaller som har små korn är mer mottagliga för krypning eftersom kornen lättare kan röra sig vid höga temperaturer och under stress, särskilt när de bombarderas av neutroner, i motsats till större korn som ger mer motstånd. För att lösa det här problemet, oxider kan legeras in i metallen för att fästa dessa gränser och försvåra rörelsen av dessa korn, samtidigt som fördelarna med en finkornig struktur bibehålls med avseende på svullnad av hålrum. Enligt Gigax, detta skulle likna att fästa några sandkorn på plats inom timglaset, förhindrar att kornen rör sig.

"När du har fått alla dessa resultat, det finns två saker vi kan göra, "Sade Gigax." Vi kan titta på vad som gör en legering bättre än de andra och sedan styra den vidare utvecklingen av den legeringen utifrån dess positiva egenskaper, eller när du väl identifierat en bra legering kan du ägna resurser åt att sätta in den i en kärnreaktor för att testa den under de exakta förhållandena. "

Genom användning av jonacceleratorer, tids- och kostnadsengagemanget för reaktortestning reduceras dramatiskt, gör det möjligt för forskningen att avancera effektivt. Förutom att säkerställa en längre livslängd och hållbarhet för dessa reaktormaterial, dessa applikationer har också fördelar för konsumenten.

"Vi bidrar till nationens energibehov, "Sade Gigax." Genom att bidra till utvecklingen av material som kan ta den extra strålningsspänningen att arbeta högre, mer effektiva bränsleförbränningar, vilket innebär mer energi per bränslekälla, Vi hjälper till att göra billigare och mer tillgänglig energi för den genomsnittliga konsumenten. "

Forskningen finansieras av U.S. Department of Energy, vars intresse för detta projekt lämnar Gigax med känslan av att han och andra i forskargruppen gör ett positivt arbete som gynnar det större samhället.

"Mycket av vår finansiering kommer från statliga källor, "Gigax sa." Hela tanken här är att genom att få finansiering genom dessa projekt är vi mycket serviceinriktade mot samhällets intressen och att parar fint till Aggie Spirit. Som Aggies, det är bra att känna att vi tjänar samhällets intressen. "