Nazwa Projektu: Wieloskładnikowe stopy typu CSA - nowatorskie podejście do opracowania odpornych radiacyjnie materiałów do zastosowań w fuzji termojądrowej

Akronim Projektu: SONATA 19

Budżet Projektu: 866 000 PLN

Czas trwania projektu: 01.07.2024 - 31.06.2027

Kierownik Projektu: dr Damian Kalita

Opis Projektu:

Zwiększające się globalnie zapotrzebowanie na energię elektryczną wymaga opracowania nowych zaawansowanych technologii jej pozyskiwania cechujących się większą efektywnością oraz znikomym odziaływaniem na otaczające środowisko naturalne. Obecnie prace w tym zakresie koncentrują się na opracowaniu reaktorów jądrowych IV generacji, jak też na rozwoju przyszłych reaktorów termojądrowych. Technologia ta może stać się niezawodnym oraz ekonomicznym źródłem energii, jednak efektywność samych reaktorów będzie w znaczniej mierze zależeć od materiałów strukturalnych stosowanych przy ich budowie. Kluczowe elementy takich reaktorów będą wystawione na działanie ekstremalnych warunków – wysoką temperaturę pracy i znaczne uszkodzenia radiacyjne spowodowane przez neutrony o wysokiej energii i cząstki α. Niestety materiały które są używane w obecnie działających reaktorach jądrowych nie są w stanie sprostać pracy w tak trudnych warunkach. Dlatego głównym celem proponowanego projektu jest opracowanie nowoczesnych, odpornych na promieniowanie jonizujące materiałów, które będą zdolne do długotrwałej pracy w warunkach panujących w reaktorze termojądrowym. Jednym z głównych kandydatów do tego zastosowania mogą stać się nowoopracowane stopy zawierające skoncentrowane roztwory stałe (z ang. concentrated solid solution alloys; CSAs). W przeciwieństwie do klasycznych stopów np. stali zawierających jeden główny składnik (Fe) oraz w znacznie mniejszym stężeniu dodatki stopowe (np. Cr, Ni, Mo), CSAs zawierają kilka pierwiastków (zazwyczaj od 2 do 5) w podobnym stężeniu. Odpowiednie dobranie takich pierwiastków sprawia, że pomimo znacznej złożoności chemicznej mogą one stworzyć roztwory stałe. W takich materiałach przypadkowe rozmieszczenie atomów prowadzi do znacznych deformacji ich struktury krystalicznej, co makroskopowo objawia się w postaci unikatowych własności tych materiałów jak np. wysoka wytrzymałość, odporność na pełzanie czy korozję. Jednak ostanie badania pokazały, że również odporność radiacyjna tych materiałów może być znacząco wyższa w stosunku do czystych metali czy też konwencjonalnych stopów stosowanych w energetyce jądrowej. Niestety jak dotąd źródło tych wyjątkowych własności pozostaje nieznane. Dlatego proponowany projekt zakłada analizę mechanizmów powstawania zniszczeń radiacyjnych w tego typu materiałach. W tym celu zaprojektowano i wytworzono trzy nowe, żarowytrzymałe stopy CSA. Materiały poddano implantacji wysokoenergetycznymi jonami w celu wytworzenia w ich strukturze uszkodzeń podobnych do tych, które mogą powstać w trakcie ich pracy w reaktorze termojądrowym. W ramach projektu zostaną one poddane wielkoskalowej analizie mającej na celu zrozumienie procesów powstawania i ewolucji defektów radiacyjnych jak też ich wpływu na własności mechaniczne stopów. W badaniach zostaną wykorzystane m. in. takie techniki jak – skaningowa oraz transmisyjna mikroskopia elektronowa (SEM i TEM). Ta ostania pozwoli na obserwacje defektów radiacyjnych na poziomie atomowym. Jednocześnie prowadzone będą prace mające na celu określnie wpływu uszkodzeń na własności mechaniczne stopów z zastosowaniem techniki nanoindentacji. Uzyskane dane eksperymentalne pozwolą na wytypowanie stopu cechującego się największą odpornością na uszkodzenia radiacyjne, który to zostanie wytworzony w większej ilości metodą topienia łukowego. Materiał ten zostanie następnie poddany zaawansowanym badaniom mającym na celu określenie jego stabilności wysokotemperaturowej, żarowytrzymałości, jak również odporności radiacyjnej w zakresie temperaturowym zbliżonym do tego na jaki wystawione są materiały pracujące we wnętrzu reaktora termojądrowego. Uważa się, że zaprezentowany plan badawczy przyczyni się do zrozumienia procesów zachodzących w strukturze materiałów wystawionych na działanie ekstremalnych warunków panujących w reaktorze termojądrowym. Wiedza uzyskana w trakcie realizacji projektu pozwoli na określenie mechanizmów decydujących o odporności na promieniowanie tych materiałów oraz w jaki sposób ich własności można dostosować do wymagań konstrukcyjnych przyszłych komercyjnych reaktorów termojądrowych. Wydaje się to być szczególnie ważne w obecnych czasach, w dobie globalnego kryzysu energetycznego i przechodzenia na zeroemisyjne, czyste źródła energii.