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        美國(guó)麻省理工學(xué)院找到生產(chǎn)高耐氫合金的新方法

        2016-12-18 19:39:45李青
        表面工程與再制造 2016年2期
        關(guān)鍵詞:美國(guó)麻省理工學(xué)院最大化溶解度

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        美國(guó)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(lái)保護(hù)燃料的包層。然而即使是最好的合金也會(huì)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(guó)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(duì)合金的破壞。

        據(jù)麻省理工學(xué)院官網(wǎng)消息,該團(tuán)隊(duì)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(huì)釋放出氫元素,這些氫元素會(huì)進(jìn)入鋯合金并與之發(fā)生反應(yīng)。這會(huì)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(duì)這層氧化物精心設(shè)計(jì),它會(huì)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(lái)。

        氫元素在進(jìn)入鋯合金內(nèi)部之前,首先會(huì)溶解在其表面的氧化層中。試驗(yàn)證明,氫的溶解度可以通過(guò)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(lái)的電子數(shù)量而呈U型曲線變化。也就是說(shuō),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(lái)電子,并促進(jìn)氧化層釋放出氫氣。因此,為鋯合金設(shè)計(jì)強(qiáng)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(guò)摻入鉻元素來(lái)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(lái),可通過(guò)摻入鈮來(lái)達(dá)到這一目的。這些摻入元素可以在制造鋯合金時(shí)加入,融入鋯合金表面的氧化層。

        美國(guó)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(píng)價(jià)說(shuō),氫的行為已被視為核反應(yīng)堆在正常運(yùn)行條件下最大的潛在挑戰(zhàn),而這項(xiàng)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(qiáng)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)

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