Графит — ключевой структурный компонент в некоторых из старейших ядерных реакторов мира и во многих проектах реакторов нового поколения, которые строятся сегодня. Однако он также конденсируется и разбухает под воздействием радиации, и механизм, стоящий за этими изменениями, оказался сложным для изучения.
Исследователи из Массачусетского технологического института (MIT) и их коллеги обнаружили связь между свойствами графита и тем, как материал ведёт себя под воздействием радиации. Результаты могут привести к более точным и менее разрушительным способам прогнозирования срока службы графитовых материалов, используемых в реакторах по всему миру.
«Мы провели фундаментальные исследования, чтобы понять, что приводит к разбуханию и, в конечном итоге, к отказу графитовых конструкций», — говорит Борис Хайкович, научный сотрудник MIT и старший автор нового исследования. «Потребуется больше исследований, чтобы воплотить это в жизнь, но в статье предлагается привлекательная для промышленности идея: возможно, вам не нужно разрушать сотни облученных образцов, чтобы понять точку их отказа».
Конкретные выводы исследования
Исследование показывает связь между размером пор в графите и тем, как материал разбухает и сжимается в объёме, что приводит к его деградации.
«Срок службы ядерного графита ограничен разбуханием, вызванным облучением, — говорит соавтор исследования Лэнс Снид. — Пористость является контролирующим фактором этого разбухания, и хотя графит широко изучался для ядерных применений со времён Манхэттенского проекта, у нас до сих пор нет чёткого понимания его пористости как с точки зрения механических свойств, так и с точки зрения разбухания. Эта работа восполняет этот пробел».
Методика исследования
Для исследования учёные использовали метод анализа, известный как рассеяние рентгеновских лучей, который использует рассеянную интенсивность рентгеновского луча для анализа свойств материала. В частности, они изучили распределение размеров и площадей поверхности пор образца, или так называемые фрактальные размерности материала.
«Когда вы смотрите на интенсивность рассеяния, вы видите большой диапазон пористости, — говорит Фэйфар. — Графит имеет пористость в таких больших масштабах, и у вас есть эта фрактальная самоподобия: поры очень малого размера выглядят так же, как поры размером в микрометры, поэтому мы использовали фрактальные модели для соотнесения различных морфологий в разных масштабах длин».
Результаты исследования
Исследователи обнаружили, что когда графит впервые подвергается воздействию радиации, его поры заполняются по мере деградации материала. «Но что нас весьма удивило, так это то, что [распределение размеров пор] развернулось обратно, — говорит Фэйфар. — У нас был этот процесс восстановления, который соответствовал нашим общим графикам объёма, что было весьма странно. Похоже, что после длительного облучения графит начинает восстанавливаться. Это своего рода процесс отжига, когда создаются новые поры, затем поры сглаживаются и становятся немного больше. Это было большой неожиданностью».
Исследователи обнаружили, что распределение размеров пор тесно связано с изменением объёма, вызванным радиационным повреждением. «Обнаружение сильной корреляции между [распределением размеров пор] и изменениями объёма графита является новым результатом, и это помогает связать отказ материала под облучением, — говорит Хайкович. — Важно, чтобы люди знали, как графитовые детали будут выходить из строя, когда они находятся под напряжением, и как вероятность отказа меняется под облучением».
Исследователи планируют изучить другие марки графита и изучить, как размеры пор в облученном графите коррелируют с вероятностью отказа. Они предполагают, что статистическая методика, известная как распределение Вейбулла, может быть использована для прогнозирования времени до отказа графита. Распределение Вейбулла уже используется для описания вероятности отказа в керамике и других пористых материалах, таких как металлические сплавы.
Хайкович также предположил, что результаты могут способствовать пониманию того, почему материалы уплотняются и разбухают под воздействием радиации. «Не существует количественной модели уплотнения, учитывающей то, что происходит на этих крошечных масштабах в графите, — говорит Хайкович. — Уплотнение при облучении графита напоминает мне песок или сахар, где, когда вы измельчаете большие куски на более мелкие зёрна, они уплотняются».
Исследование было опубликовано на этой неделе в журнале Interdisciplinary Materials.