Naukowcy starają się coraz lepiej zrozumieć, jak materiały, a w szczególności metale lub ich stopy, zachowują się pod wpływem ekstremalnych warunków panujących na przykład w reaktorach jądrowych. Współpraca Instytutu Podstawowych Problemów Techniki PAN, Narodowego Centrum Badań Jądrowych i Politechniki Warszawskiej pozwoliła na opracowanie modelu na poziomie atomowym dla takich materiałów, który rzuca nowe światło na procesy umocnienia stopów bogatych w chrom pod wpływem promieniowania jądrowego.

Wyobraźmy sobie materiał, który jest regularnie narażony na intensywne obciążenia i zmienne warunki. Z biegiem czasu, pod wpływem tych warunków, mogą w nim pojawiać się mikroskopijne uszkodzenia i pęknięcia, które wpływają na jego integralność i funkcjonalność. Takie procesy mają miejsce również w materiałach używanych w reaktorach jądrowych, gdzie promieniowanie powoduje powstawanie defektów w strukturze stopów metali, co prowadzi do zmiany ich właściwości mechanicznych i pogorszenia ich trwałości.
Dlatego niezwykle ważnym zadaniem jest zrozumienie, jakie dokładnie zmiany neutrony, cząstki alfa i inne rodzaje promieniowania powodują w strukturze materiału. Dzięki temu możliwe jest znalezienie sposobów produkcji bardziej wytrzymałych i trwałych stopów. Takie nowe materiały można wykorzystać nie tylko w reaktorach badawczych i energetycznych, ale także w konstrukcji statków kosmicznych czy urządzeń medycznych.

„Formułowanie modeli teoretycznych opartych na mechanizmach w skali atomowej jest kluczowe, ponieważ pomaga nam zrozumieć jak zmieniają się właściwości mechaniczne materiałów w skali makro, zwłaszcza w ekstremalnych warunkach, takich jak napromieniowanie wysokoenergetycznymi cząstkami.” – opowiada dr Javier Dominguez-Gutierrez z Narodowego Centrum Badań Jądrowych w Świerku. Dr Aneta Ustrzycka z Instytutu Podstawowych Problemów Techniki PAN zaznacza dodatkowo, że „modele oparte na symulacjach atomowych, a następnie weryfikowane eksperymentalnie, dostarczają wglądu w to, jak jak tworzą się defekty w materiale i ewoluują one pod wpływem obciążeń mechanicznych. Poprzez włączenie do modelu mechanizmów, takich jak ścinanie pustek, ich kurczenie się i zapadanie, uzyskujemy pełny obraz tego, jakim modyfikacjom ulegają materiały pod wpływem promieniowania. Potrafimy przewidzieć ich zachowanie, a także skutecznie projektować bardziej odporne stopy do ​zastosowań w trudnych warunkach, takich jak reaktory jądrowe.”

Celem naukowców jest również eksperymentalna weryfikacja mechanizmów degradacji materiałów przewidzianych w symulacjach. „Próbki napromieniowane wysokoenergetycznymi jonami poddaliśmy obserwacjom mikrostrukturalnym z wykorzystaniem transmisyjnej mikroskopii elektronowej” – dodaje dr Witold Chromiński. „Technika ta pozwala na obrazowanie materiałów z rozdzielczością na poziomie atomowym. W badaniach opublikowanych w nowym artykule skupiliśmy się na defektach tworzonych w trakcie promieniowania, takich jak drobne pustki i pętle dyslokacji, które bezpośrednio wpływają na umocnienie materiału.”

Wyniki opublikowano w prestiżowym czasopiśmie naukowym International Journal of Plasticity w artykule pt. „Atomistic analysis of the mechanisms underlying irradiation-hardening in Fe–Ni–Cr alloys” (doi: 10.1016/j.ijplas.2024.104118). Badania były finansowane przez Narodowe Centrum Nauki (grant UMO-2020/38/E/ST8/00453) oraz przez Fundację na rzecz Nauki Polskiej w ramach programu Międzynarodowe Agendy Badawcze PLUS (grant MAB PLUS/2018/8).

Krzysztof Petelczyc