Высокотехнологичные сплавы металлов широко используются в таких важных элементах, как оболочки, защищающие топливо внутри ядерного реактора. Но даже самые лучшие сплавы деградируют со временем из-за высоких температур реактора, радиации и обогащенной водородом среды. Теперь команда исследователей из MIT нашла способ значительно снизить вредное воздействие водорода на эти металлы.

Исследование команды сосредоточено на циркониевых сплавах, которые широко используются в атомной промышленности, но основные принципы, которые они обнаружили могут применяться ко многим металлическим сплавам, используемым в других энергетических системах и приложениях. Полученные результаты опубликованы в журнале Physical Review Applied.

Водород, который высвобождается, когда молекулы воды из охлаждающей реактор жидкости распадаются, может реагировать с металлом. Это приводит к снижению пластичности этого металла, или его способность выдерживать механическую нагрузку до разрушения. Это, в свою очередь, может привести к преждевременному растрескиванию. В атомных электростанциях механическая целостность оболочки является чрезвычайно важной, поэтому найти способы повышения ее долговечности является приоритетной задачей.

Оказывается, что начальное вхождение атомов водорода в металл очень зависит от характеристик слоя, который образуется на поверхности металла.

Покрытие из оксида циркония образуется на поверхности циркония в воде высокой температуры, и оно действует как своего рода защитный барьер. Этот слой оксида может ингибировать водород от попадания в кристаллическую структуру металла или, при других условиях, может испускать водород в виде газа.

Водород должен сначала раствориться в оксидном слое перед проникновением в глубь металла под ним. Но растворение водорода можно контролировать с помощью легирования, путем введения атомов другого элемента.

«Существует определенный тип легирующего элемента, который сводит к минимуму способность водорода к проникновению, в то время как другие легирующие элементы облегчают выброс газообразного водорода прямо на поверхности оксида,» – говорят ученые. Таким образом, знание эффекта от легирующих элементов обеспечивает создание эффективного барьера.

Одна стратегия блокирует проникновение водорода и основана на включении такого элемента как хром. Другая стратегия основана на различных элементах, в том числе ниобии, которые обеспечивают выброс водорода из поверхности оксида и защищают основной сплав циркония.

Легирование можно осуществить путем включения небольшого количества легирующего металла в исходную матрицу сплава циркония.

Команда подчеркивает, что их идея является общим подходом, который может быть применен ко всем видам сплавов, образующим слои оксидов на поверхности. Их подход может привести к повышению долговечности сплавов, используемых при добыче ископаемого топлива, мостах, трубопроводах, топливных элементах и многих других приложениях.

Источник: Mostafa Youssef, Ming Yang, Bilge Yildiz. **Doping in the Valley of Hydrogen Solubility: A Route to Designing Hydrogen-Resistant Zirconium Alloys **.