Krzysztof Petelczyc

Entropia to miara nieuporządkowania. Jedno z podstawowych praw fizyki wskazuje, że rośnie ona kiedy układ składa się z kilku elementów o równej, lub zbliżonej koncentracji. W związku z tym dotychczasowy model opracowywania nowych materiałów opierał się na złożeniu, że stop powinien cechować się niską entropią, czyli mieć jeden pierwiastek wiodący, który odpowiada za najważniejsze właściwości materiału. Okazuje się jednak, że wysoka entropia w stopach metali w połączeniu ze zniekształceniem sieci atomowej przyczynia się do polepszenia właściwości funkcjonalnych materiału, a nie jak wcześniej uważano ich pogorszenia. Te zaskakujące zjawiska zbada międzynarodowy zespół naukowców pod kierunkiem prof. Łukasza Kurpaski w ramach projektu „Wytwarzanie stopów o wysokiej entropii posiadających wysoką odporność radiacyjną i podwyższone właściwości mechaniczne w wysokiej temperaturze” finansowanego przez Narodowe Centrum Nauki w ramach programu SONATA BIS.

Najnowocześniejsze reaktory jądrowe IV generacji oraz reaktory fuzyjne (termojądrowe) wymagają specjalnych materiałów konstrukcyjnych o doskonałych właściwościach mechanicznych w wysokiej temperaturze oraz dobrej odporności na promieniowanie jonizujące i korozję. Te rygorystyczne wymagania wydają się spełniać tzw. stopy o wysokiej entropii (High Entropy Alloys - HEA). Jednak nie do końca wiadomo, dlaczego mają one tak unikatowe właściwości i co je warunkuje. Ponadto, stopy HEA produkowane są w tej chwili jedynie w laboratoriach i niezbędne są prace badawcze weryfikujące możliwość ich produkcji przemysłowej. Dlatego naukowcy z Narodowego Centrum Badań Jądrowych chcą opracować technikę wytwarzania tego nowego typu materiałów oraz zrozumieć mechanizmy odpowiedzialne za ich doskonałe właściwości funkcjonalne w wysokich temperaturach. Z tego powodu badania eksperymentalne i symulacje przeprowadzone zostaną w warunkach odwzorowujących działanie reaktora jądrowego. 

„W ramach projektu wyprodukowane i zbadane zostaną różne rodzaje stopów z kontrolowanymi ilościami chromu, niklu, żelaza i manganu.” – wyjaśnia prof. Kurpaska. – „Chcemy zbadać wpływ złożoności składu chemicznego poprzez progresywne jego zmienianie. Badania rozpoczną się na układach binarnych (NiFe) i trójskładnikowych (NiFeCr). Przewiduje się, że praca badawcza zostanie zakończona na stopach co najmniej czteroskładnikowych (NiFeCrMn), być może z dodatkiem innych elementów jak Al.” Zrozumienie i optymalizacja składu chemicznego mogą umożliwić opis ewolucji defektów tworzących się w trakcie oddziaływaniu promieniowania jonizującego z materiałem. Wytłumaczenie tego zjawiska przyczyni się do wzrostu tzw. czasu życia materiałów pracujących w środowisku reaktora jądrowego. 

W celu wytworzenia nowych materiałów, wytworzone stopy zostaną poddane odpowiedniej obróbce termicznej i walcowaniu. Powstałe materiały będą badane zarówno w stanie wyjściowym i po bombardowaniu ciężkimi jonami w wysokiej temperaturze. Przeprowadzone zostaną zaawansowane badania mechaniczne i strukturalne oraz symulacje numeryczne, prowadzące naukowców do odpowiedzi na pytania związane z plastycznością tych materiałów i innymi wyjątkowymi właściwościami jak migracja i ewolucja defektów. Zgodnie z założeniami programu SONATA BIS, ideą projektu jest właśnie współpraca nie tylko eksperymentatorów specjalizujących się w badaniach strukturalnych i mechanicznych, ale także doświadczonych naukowców zajmujących się symulacjami numerycznymi. Prace badawcze prowadzone będą wspólnie przez naukowców z Narodowego Centrum Badań Jądrowych i amerykańskiego Massachusetts Institute of Technology. Prof. Kurpaska uzyskał dostęp do akceleratora jonów znajdującego się w Departamencie Nauk i Inżynierii Jądrowej dzięki stypendium NAWA Bekker. Eksperymenty symulujące wpływ strumienia neutronów przeprowadzone zostaną wspólnie z naukowcami z tej instytucji. 

Projekt przyczyni się więc do stworzenia ukierunkowanej na jeden cel, młodej grupy badawczej, która będzie mogła stworzyć ścieżkę do lepszego zrozumienia wciąż otwartych zagadnień dotyczących nowo opracowanych stopów o wysokiej entropii. Wszystko to będzie realizowane w duchu innowacyjności i komplementarności, w oparciu o fundamenty bieżących (Centrum Doskonałości NOMATEN) i przyszłych wspólnych projektów. 

Realizacja projektu pozwoli odpowiedzieć na co najmniej kilka bardzo ważnych pytań – podsumowuje prof. Kurpaska - Czy można z powodzeniem produkować stopy o wysokiej entropii? Jaki jest wpływ składu chemicznego na strukturę materiału i jego odporność na promieniowanie? Jak mikrostruktura wpływa na właściwości mechaniczne?” Należy podkreślić, że wszystkie badania prowadzone będą na nowoczesnym sprzęcie zakupionym przez Narodowe Centrum Badań Jądrowych w Centrum Doskonałości NOMATEN i Laboratorium Badań Materiałowych.

Z niecierpliwością czekamy na wyniki.