Tiede ja teknologia

Kestävämpiä materiaaleja ydinreaktoreihin

Alumnipäivän aamukahvitilaisuus kiihdytinlaboratoriossa osoitti taas kerran, miten tärkeää luonnontieteiden opettajan on seurata aikaansa. Jos hän ei pääse oman alansa täydennyskoulutukseen riittävän usein, niin pedagogisen ainejärjestön tehtävänä on tuoda uutta tietoa tieteenalan kehityksestä. Korkean entropian metalliseokset eivät ehkä ole kaikille fysiikan opettajillekaan tuttuja, sillä niitä on tutkittu ja kehitetty enemmälti vasta kymmenkunta vuotta.

Yläkuva: Neutronin potku antaa säännöllisen rautakiteen atomille energiaa, joka leviää pikosekuntiluokkaa olevassa ajassa lähiympäristöön ja aiheuttaa kidevirheitä siirtämällä atomeja pois paikoiltaan (dislokaatio).
Törmäyksestä on kulunut 18 ps. Yksittäisten atomien energia on palautunut alkutasolleen, mutta materiaaliin on jäänyt pysyvä säteilyvaurio, joka näkyy epäsäännöllisyytenä kidehilassa. (Kuva: Kai Norlund)

Ydinreaktorin tuki- ja suojarakenteet ovat alttiina jatkuvalle neutronipommitukselle. Törmäystodennäköisyys on pieni, mutta pommitus on jatkuvaa. Yksi ainoa neutronitörmäys saattaa tuottaa kymmeniä kidevirheitä. Kidevirheiden syntymisen takia rautarakenteet venyisivät ajan mittaan useita prosentteja, mikä tekee puhtaan raudan tai tavanomaisten terästen käytön täysin mahdottomaksi kiinteissä reaktorirakenteissa. Helsingin yliopiston laskennallisen materiaalifysiikan professori Kai Nordlund on mukana kansainvälisessä asiantuntijaryhmässä, joka on luonut aikaisempaa paljon paremman laskentamallin materiaalien säteilyvaurioiden mallintamiseen.

Säteilynkestävyys on kynnyskysymys uusien neljännen sukupolven fissioreaktoreiden kehittämisessä puhumattakaan fuusioreaktoreista. Nykyisissä ydinreaktoreissa on muutenkin paljon toivomisen varaa. Ne toimivat kovin tuhlaavasti, sillä ne käyttävät hyödyksi vain noin yhden prosentin polttoaineesta. Reaktiotuotteita syntyy paljon ja ne ovat hyvin radioaktiivisia. Ydinjätettä syntyy myös aktivoituneista reaktorirakenteista. Fuusioenergian kaupallinen tuotanto on vuosikymmenien päässä, sillä esimerkiksi kansainvälisen lämpöydinkoereaktorin ITERin tuottamaa energiaa ei vielä edes oteta talteen.

CoCrFeMnNi-seoksen tahkokeskisen kuutiollisen kiteen atomirakennemalli. Tämä ns. Cantorin lejeerinki oli ensimmäisiä tarkemmin tutkittuja korkean entropian metalliseoksia (kuva Shaoqing Wangin artikkelista ”Atomic Structure Modeling of Multi-Principal-Element Alloys by the Principle of Maximum Entropy” (CC BY 3.0).

Puhdas rauta on mahdollisimman huono rakennemateriaali, sillä säteilyn aiheuttamat kidevirheet saattavat levitä siinä hyvin nopeasti koko rakenteeseen säännöllisiä kidetasoja pitkin. Vaurioiden leviäminen estyy, jos materiaalissa ei ole sopivia leviämisväyliä. Tällaisia materiaaleja ovat korkean entropian lejeeringit, esimerkiksi NiCoFeCuCr tai ZrNbTiTaHf. Parempi suomennos nimitykselle ”high entropy alloys” olisi ehkä suuren entropian tai täysin sekoittuneet lejeeringit. Niissä on tasamäärät vähintään neljää, joskus jopa 13:a alkuainemetallia. Atomien erilaisen koon vuoksi tällaiseen seokseen ei voi muodostua säännöllisiä kidetasoja. Näiden seosten etuna on myös se, että austeniittisen rakenteensa ansiosta ne ovat helpommin hitsattavia kuin ferriittiset teräkset.

Idea ei ole ihan uusi, mutta näitä sekoitemetalleja on tutkittu laajemmalti vain kymmenkunta vuotta. Silti niitä on saatavissa jo kaupallisesti. Edellä mainittujen lisäksi huomionarvoisia ovat esimerkiksi NiCoCr, jossa on 0–20 prosenttia alumiinia, ja kaupallisissa nimillään tunnetut teräslaadut T91, EuroFer ja RusFer. Erityisesti korkean entropian lejeerinkien kehittäminen on vilkasta. Ne tarjoavat myös paljon erilaisia mahdollisuuksia, sillä aines- ja seossuhdeyhdistelmiä on lähes rajattomasti.

Hannu Korhonen
Orimattila

Print Friendly, PDF & Email
Takaisin etusivulle