Kohti säteilyä kestäviä materiaaleja

Tutkijat osoittivat tietokonesimuloinneilla ja myös kokeellisesti, että metallit, joissa atomit ovat valmiiksi epäjärjestyksessä, olisivat hyvä kandidaatti säteilynkestäväksi materiaaliksi. He uskovat, että nämä uudet korkean entropian lejeeringit voivat tulla käyttöön parissa vuosikymmenessä korkean säteilytason sovelluksissa, kuten uudentyyppisissä fissio- tai fuusiovoimalaitoksissa. Helsingin yliopiston tutkijoiden työ yhdysvaltalaisten Oak Ridge National Laboratory:n ja Michiganin yliopiston kanssa julkaistiin vastikään ilmestyneessä Physical Review Letters -julkaisussa.

Viime vuosina on kehitetty täysin uusi tapa valmistaa uudenlaisia metalleja. On myös osoittautunut, että näillä uudenlaisilla metalleilla on erittäin lupaavia mekaanisia ja korroosionkesto-ominaisuuksia. Nyt ne ovat paljastuneet alustavasti myös säteilynkestäviksi.

- Lupaavinta tässä on se, että parempi säteilynkestävyys havaittiin kaikissa tutkituissa lejeeringeissä. Se viittaa siihen, että optimoimalla alkuaineyhdistelmää voidaan päästä vielä parempiin tuloksiin joskus tulevaisuudessa, sanoo materiaalifysiikan professori Kai Nordlund Helsingin yliopistosta.

Ionisoivaa säteilyä käytetään nykyään laajasti. Sitä hyödynnetään syövän hoidossa, lääketieteellisten instrumenttien steriloinnissa ja tietokonesirujen valmistuksessa. Haitallista säteily on esimerkiksi ydinreaktoreissa, hiukkaskiihdyttimissä ja avaruusluotaimissa, joissa se vähitellen heikentää materiaalien ominaisuuksia.

Tällaisia korkean säteilytason ympäristöjä varten on toivottavaa löytää materiaaleja, jotka kestävät säteilyä mahdollisimman hyvin.

- Eräät teräkset ja muut metallit, kuten nikkeli ja wolframi, kestävät melko suuria säteilyannoksia. Kaikki ne kuitenkin haurastuvat ennemmin tai myöhemmin, ja tämän vuoksi etsitään metalleja, jotka kestäisivät säteilyn, Nordlund sanoo.

Atomitason epäjärjestys vähentää kiteiden epäjärjestymistä säteilyn aikana

Normaalit metallit, jotka tunnemme arkipäiväisestä elämästä, perustuvat yhteen alkuaineeseen, joka on hyvin järjestyneessä kiderakenteessa, johon mahdolliset muut alkuaineet ovat sekoittuneet pienissä pitoisuuksissa. Äskettäin kehitetty uusi tapa valmistaa metalleja syntyi, kun ymmärrettiin, että on mahdollista sekoittaa kolmesta seitsemään eri metallialkuainetta täysin satunnaisiin kidepaikkoihin niin, että aineessa kuitenkin säilyy yksi hyvä kiderakenne.

Näissä uusissa niin sanotuissa korkean entropian lejeeringeissä atomit ovat siis kidepaikoilla täysin epäjärjestyneenä.

Jos metalli on jo valmiiksi vahvasti epäjärjestynyt, ehkei epäjärjestyksen määrä voi enää kasvaa ja metalli kestääkin säteilyä? Sitä Helsingin yliopiston tutkijat lähtivät selvittämään kiinteässä yhteistyössä yhdysvaltalaisen Oak Ridge National Laboratory:n ja Michiganin yliopiston kanssa.

Tutkijaryhmät tutkivat säteilyn vaikutusta tavalliseen nikkeliin sekä vahvasti epäjärjestyneisiin nikkeli-rauta- ja nikkeli-koboltti-kromi-metallilejeerinkeihin.

Tulokset osoittivat, että lejeeringit kestävät säteilyä 2-3 kertaa paremmin kuin nikkeli, ja että säteily ei riko metallin hyvää kiderakennetta, vaikka atomien paikat pysyvät satunnaisina.

Alkuaineiden yhdistelymahdollisuudet ovat teoriassa lähes rajattomat

Helsingin yliopiston tutkijoiden tietokonesimuloinnit selittivät mekanismin tämän takana.

Yllättävä tulos johtuu siitä, että atomitason epäjärjestys hidastaa linjamaisten kidevirheiden, niin sanottujen dislokaatioiden, liikettä.

Uudet metallit eivät vielä ole kypsiä käytännön sovelluksiin. Niitä täytyy vielä testata pidemmillä aikaskaaloilla. On myös varmistettava, ettei muun tyyppinen säteily aiheuta ongelmia.

Jos jatkokehittely ei tuo odottamattomia yllätyksiä, tutkijat uskovat, että uudet lejeeringit voivat olla käytettävissä vuosikymmenen tai parin kuluttua sellaisissa korkean säteilytason sovelluksissa kuin uudentyyppisissä fissio- tai fuusiovoimalaitoksissa.

Tulokset on julkaistu fysiikan korkeimmalle arvostetussa julkaisusarjassa, Physical Review Lettersissä, New Scientist kirjoitti aiheesta näin: https://www.newscientist.com/article/2081605-new-alloys-could-lead-to-ne....

Julkaisun tiedot:

F. Granberg, K. Nordlund1, M. W. Ullah, Ke Jin, Chenyang Lu, Hongbin Bei, Lumin Wang, F. Djurabekova, W. J. Weber, and Y. Zhang, “Mechanism of radiation damage reduction in equiatomic multicomponent single phase alloys,” Phys. Rev. Lett. 116, 13550, 1.4.2016.

KUVAT 1-2
Kuva 1: Säteilyvaurioita tavallisessa nikkelissä. Kuvassa ne atomit, jotka ovat vaurioituneita eli eivät ole täydellisessä kiteisessä paikassa.
Kuva 2: Vauriot epäjärjestyneessä rauta-nikkeli-kiteessä täsmälleen saman säteilyannoksen jälkeen kuin kuvassa 1.

Kuvista näkee, että epäjärjestyneessä systeemissä on huomattavasti vähemmän atomeja vaurioituneissa paikoissa.

Kuvat: Fredric Granberg, Helsingin yliopisto

Lisätiedot: Professori Kai Nordlund, Helsingin yliopiston fysiikan laitos, 050 415 6815, kai.nordlund@helsinki.fi

Ystävällisin terveisin
Minna Meriläinen-Tenhu, tiedottaja, @MinnaMeriTenhu, 050 415 0361, minna.merilainen@helsinki.fi

 

Lue lisää aiheesta: Kestävä kehitys