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美國麻省理工學(xué)院找到生產(chǎn)高耐氫合金的新方法

高性能合金廣泛用于一些非常重要的領(lǐng)域，例如核反應(yīng)堆中用來保護燃料的包層。然而即使是最好的合金也會在核反應(yīng)堆高溫、輻射和富氫環(huán)境中逐漸遭到侵蝕?，F(xiàn)在，美國麻省理工學(xué)院的研究人員找到一種新方法，可以大大減弱氫對合金的破壞。

據(jù)麻省理工學(xué)院官網(wǎng)消息，該團隊主要分析了廣泛用于核工業(yè)中的鋯合金。當(dāng)核反應(yīng)堆冷卻劑中的水分子分裂后會釋放出氫元素，這些氫元素會進(jìn)入鋯合金并與之發(fā)生反應(yīng)。這會降低鋯合金的延展性，使其提前脆裂并發(fā)生故障。

研究人員發(fā)現(xiàn)，氫原子進(jìn)入鋯合金的第一道關(guān)口就是其表面的氧化層。如果對這層氧化物精心設(shè)計，它會阻止氫元素進(jìn)入合金內(nèi)部，或者以氫氣的形式將氫元素再次“驅(qū)趕”出來。

氫元素在進(jìn)入鋯合金內(nèi)部之前，首先會溶解在其表面的氧化層中。試驗證明，氫的溶解度可以通過在氧化層中摻入其他元素進(jìn)行控制，其溶解度隨著摻入元素為氧化層帶來的電子數(shù)量而呈U型曲線變化。也就是說，有一類摻入元素可以將氫元素的滲透能力降至最低，阻止氫元素進(jìn)入氧化層；另一類摻入元素則可以最大化地為氧化層帶來電子，并促進(jìn)氧化層釋放出氫氣。因此，為鋯合金設(shè)計強大“屏障”的關(guān)鍵就是找到有效的摻入元素。

鑒于此，研究人員發(fā)現(xiàn)兩種有效策略：一種是“守”，旨在使氫元素的滲透最小化，可通過摻入鉻元素來達(dá)到這一目的；一種是“放”，旨在使已經(jīng)滲入的氫元素最大化地被釋放出來，可通過摻入鈮來達(dá)到這一目的。這些摻入元素可以在制造鋯合金時加入，融入鋯合金表面的氧化層。

美國密歇根大學(xué)可持續(xù)能源、環(huán)境和地球系統(tǒng)工程教授加里·瓦斯教授評價說，氫的行為已被視為核反應(yīng)堆在正常運行條件下最大的潛在挑戰(zhàn)，而這項研究是從物理學(xué)角度理解氫在鋯合金中行為的首次嘗試。

研究人員強調(diào)，這兩種策略或是能應(yīng)用于多種合金的通用方法，它們有潛力在多種重要領(lǐng)域提高合金材料的壽命。

（李青）