Углеродные нанотрубки позволят увеличить надежность и срок службы конструкций ядерных установок

Международная группа, возглавляемая учеными из Массачусетского технологического института, обнаружила, что добавки небольшого количества углеродных нанотрубок к металлам делает их намного более стойкими к пагубному влиянию радиации на их структуру. В настоящее время все это проверено по отношению к металлам с низкой температурой плавления, к примеру, алюминию, но в недалеком будущем способность нанотрубок замедлять процессы разрушения позволит увеличить надежность и сроки службы энергетических атомных реакторов и прочих ядерных установок, в том числе и используемых в научных целях.

Сильный уровень радиации влияет пагубно не только на все живое, он также является причиной кардинальных структурных изменений в металлах. Постоянное воздействие сильной радиации делает металл пористым и хрупким до тех пор, пока в месте воздействия не образуются трещины и другие дефекты. Естественно, эти процессы влияют в худшую сторону на надежность, безопасность и сроки службы деталей и узлов ядерных установок и ученые и инженеры уже достаточно давно находятся в поисках решения этой проблемы.

Проблема заключается в том, что атомы металла, подвергаясь бомбардировке высокоэнергетическими частицами, видоизменяются или расщепляются. Внутри кристаллической решетки металла формируются микропузырьки гелия. И эти пузырьки, подобно пузырькам азота в крови быстро поднимающегося на поверхность водолаза, могут послужить причиной повреждения материала. А в металле эти пузырьки разрывают границы между зернами, из которых состоит большинство металлических сплавов. Поэтому металл в месте воздействия радиации становится менее прочным и более хрупким.

Ученые обнаружили, что введение в объем металла небольшого количества углеродных нанотрубок, менее двух процентов от объема металла, позволяет металлу обрести высокую стойкость к воздействию радиации. Нанотрубки, равномерно распределенные по объему металла, формируют нечто вроде сети, через которую возникающий гелий отводится за пределы металлических деталей и не он становится причиной возникновения дефектов.

Однако, процесс введения углеродных нанотрубок в металл при высокой температуре разрушает эти нанотрубки и преобразовывает металл в углеродное соединение, в карбид этого металла. Однако, в любом случае эти нанотрубки оставляют свой структурный след в металле, подобный насекомому, пойманному внутри кусочка янтаря. Наличие таких структурных аномалий позволяет гелию беспрепятственно покидать пределы металлических деталей, более того, их наличие в некоторых условиях, способствует самовосстановлению возникающих дефектов.

Ученые произвели сравнение структурных изменений в простом металле и металле с углеродными нанотрубками, которые подвергались воздействию одного и того же потока радиации. Эти исследования показали, что стойкость к радиации металла с нанотрубками в 5-10 раз превышает стойкость чистого металла. Кроме этого, "нанотрубочные" добавки на 50 процентов увеличивают прочность материала и улучшают его гибкость.

В настоящее время все вышесказанное было проверено на алюминии, который имеет относительно низкую температуру плавления. Но ученые в ближайшем времени планирую проверить работу добавок нантрубок на цирконии и на других металлах с более высокой температурой плавления. А пока, с учетом невысокой стоимости производства углеродных нанотрубок, модифицированный алюминий и сплавы на его основе уже можно использовать для изготовления критических элементов ядерных реакторов, хранилищ ядерных отходов и в космической технике.