碳纳米管改善了金属在辐射下的寿命

限制核反应堆的运行寿命的主要原因之一是暴露于反应堆堆芯附近的强辐射环境的金属变得多孔且易碎，这可导致破裂和破坏。现在，麻省理工学院和其他地方的一组研究人员发现，至少在某些反应堆中，向金属中添加少量碳纳米管可以大大减缓这种分解过程。

目前，该方法仅对铝有效，这限制了其应用于研究反应堆中的低温环境。但该团队表示，该方法也可用于商业反应堆中使用的高温合金。

研究结果在纳米能源期刊，麻省理工学院教授朱莉，博士后Kang Pyo So和Mingda Li，研究科学家Akihiro Kushima以及其他10位麻省理工学院，德克萨斯A&M大学和韩国，智利大学的论文中有所描述。和阿根廷。

铝目前不仅用于研究反应堆组件，还用于核电池和航天器，并且已经提出将其作为用于核废料的储存容器的材料。因此，改善其使用寿命可能会带来显着的好处，他是Battelle能源联盟核科学与工程教授和材料科学与工程教授。

长期稳定

Kang Pyo So表示，碳纳米管均匀分散在“内部”的金属被设计用于长时间减轻辐射损害而不会降低。

研究人员解释说，来自辐射嬗变的氦在金属内部停留，导致材料沿着晶界充满微小气泡，并逐渐变脆。纳米管虽然只占体积的一小部分 - 小于2% - 但可形成渗透的一维传输网络，为氦气泄漏而不是被困在金属中提供通路，它可能继续造成损害。

测试表明，在暴露于辐射后，金属中的碳纳米管可以化学变为碳化物，但它们仍然保持其细长的形状，“几乎就像陷入琥珀的昆虫一样”，Ju Li说。“这真是太神奇了 - 你没有看到一个斑点;它们保留了它们的形态。它仍然是一维的。” 这些1-D纳米结构的巨大总界面面积为辐射诱导的点缺陷提供了一种在金属中重新组合的方法，从而减轻了也导致脆化的过程。研究人员表明，1-D结构能够承受高达70 DPA的辐射损伤。(DPA是指平均每个晶体中的每个原子被辐射撞出其位置的次数，因此70 DPA意味着大量的辐射损伤。)

在辐射照射后，Ju Li说，“我们在新材料中看到了对照样品中的毛孔，但没有毛孔”，而机械数据表明它的脆化程度要小得多。对于给定量的辐射暴露，测试表明脆化量减少了大约五到十倍。

该团队表示，这种新材料只需要少量的碳纳米管(CNTs) - 约占金属重量的1% - 这些材料生产和加工成本低廉。该复合材料可以通过普通工业方法以低成本制造，并且已经由韩国制造商生产，用于汽车工业。

力量和韧性

该团队表示，即使在暴露于辐射之前，添加少量纳米管也可使材料强度提高50%，并提高其拉伸延展性 - 其变形能力不会破裂。

“这是原则的证明，”Kang Pyo So说。虽然用于测试的材料是铝，但该团队计划用锆进行类似的测试，锆是一种广泛用于高温反应堆应用的金属，如核燃料颗粒的包层。“我们认为这是金属 - 碳纳米管系统的一般属性，”他说。

“对于核材料科学而言，这是一项具有重要意义的发展，其中复合材料 - 特别是氧化物弥散强化钢 - 长期以来被认为是适用于高温和高辐射剂量应用的有希望的候选材料，”Sergei Dudarev教授说。英国牛津大学的材料科学，没有参与这项工作。

Dudarev补充说，这种新型复合材料“在长时间照射下证明非常稳定，表明该材料在室温下暴露于高辐射剂量后能够自我恢复并部分保持其原始特性。新材料可以生产以相对较低的成本也是一个优势。“