ทีมวิจัยจากสหรัฐอเมริกาได้พัฒนาโลหะผสมชนิดใหม่ที่สามารถทนต่อแรงกดดันได้ถึง 600 MPa สำหรับการใช้งานในโรงไฟฟ้านิวเคลียร์

ทีมวิจัยจากสหรัฐอเมริกาได้พัฒนาโลหะผสมชนิดใหม่ที่สามารถทนต่อแรงกดดันได้สูงถึง 600 เมกะปาสคาล (MPa) ที่อุณหภูมิห้อง ซึ่งออกแบบมาสำหรับโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ โลหะผสมทดลองนี้มีชื่อว่า V555 พัฒนาโดยห้องปฏิบัติการแห่งชาติแปซิฟิกตะวันตก (PNNL) ของกระทรวงพลังงานสหรัฐ (DOE) นักวิทยาศาสตร์ได้ทำการทดลองกับโลหะผสมที่มีศักยภาพเกือบ 1,000 ชนิด และได้กำหนดสูตรโลหะผสมใหม่ที่มีศักยภาพสูงสุด ในการคัดเลือก, จำลอง และปรับแต่งวัสดุ นักวิทยาศาสตร์ใช้วิธีการที่เรียกว่า Robust Alloy Design (RAD)

วิธีการนี้สามารถระบุวัสดุที่สามารถทนต่ออุณหภูมิ, รังสี และแรงกดดันทางกลที่รุนแรงภายในโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ PNNL ระบุว่าโลหะผสมนี้ได้ผ่านการทดสอบเบื้องต้นที่อุณหภูมิห้องแล้ว

การออกแบบและพัฒนาโลหะผสมใหม่

ดร. Osman El Atwani นักวิทยาศาสตร์วัสดุและผู้นำการวิจัยกล่าวว่า "งานนี้เปิดทางให้ชุมชนวัสดุนิวเคลียร์สำรวจและประเมินวัสดุที่กว้างขึ้นสำหรับระบบนิวเคลียร์ในอนาคต" วัสดุหุ้มแบบดั้งเดิมรวมถึงเหล็กและโลหะผสมที่มีพื้นฐานจากซิเรียม เช่น Zircaloy อย่างไรก็ตาม ตามที่ El Atwani กล่าว โลหะผสมใหม่ที่มาจากธาตุหลักหลายชนิดอาจมีคุณสมบัติที่ดีกว่าโดยการเปลี่ยนแปลงองค์ประกอบโลหะของมัน เพื่อเลือกธาตุต่างๆ และสร้างการรวมกันใหม่ ทีมของเขาได้พัฒนากระบวนการ RAD ใน 8 ขั้นตอน

กระบวนการนี้ประเมินวัสดุที่มีศักยภาพตามข้อกำหนดหลายประการ เช่น ความต้านทานรังสีและความสามารถในการผลิต

นักวิทยาศาสตร์วัสดุ Mohan Nartu จากห้องปฏิบัติการแห่งชาติแปซิฟิกตะวันตกได้ผลิตตัวอย่างโลหะผสมใหม่ที่ชื่อว่า V555 โดยใช้เครื่องหลอมอาร์ค ทีมงานเริ่มต้นใช้วิธีนี้ในการระบุโลหะผสมที่มีศักยภาพประมาณ 724 ชนิด จากนั้นพวกเขาได้หันมาใช้ระบบการให้คะแนน RAD เพื่อลดขอบเขตการเลือก เครื่องมือประเมินนี้จัดอันดับตามความเหมาะสมของโลหะผสมสำหรับโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ สุดท้ายทีมเลือก V555 สำหรับการทดสอบในห้องปฏิบัติการเบื้องต้นเพื่อยืนยันความเป็นไปได้ของวิธีการคำนวณในทางปฏิบัติ ดร. Nartu เปิดเผยว่า "วิธีการมาตรฐานคือการแลกเปลี่ยนธาตุหนึ่งกับอีกธาตุหนึ่ง และแลกเปลี่ยนธาตุนั้นกับธาตุนี้"

แม้ว่าการทำเช่นนี้จะสร้างวัสดุใหม่ในทางเทคนิค แต่จริงๆ แล้วไม่เปลี่ยนแปลงองค์ประกอบพื้นฐาน ดังนั้นคุณสมบัติพื้นฐานของวัสดุยังคงอยู่

ผลการทดสอบประสิทธิภาพของ V555

หลังจากเลือก V555 ทีมงานได้ผลิตตัวอย่างเพื่อตรวจสอบโครงสร้างและความแข็งแรง โดยที่พวกเขาประหลาดใจ ผลการทดสอบเบื้องต้นที่อุณหภูมิห้องแสดงให้เห็นว่าโลหะผสมนี้มีความต้านทานแรงดึงประมาณ 500 ถึง 600 MPa ซึ่งหมายถึงแรงที่วัสดุสามารถทนได้ก่อนที่จะเริ่มมีการเปลี่ยนรูปถาวร แม้ว่าผลเบื้องต้นจะแสดงให้เห็นว่าโลหะผสมนี้มีความแข็งแรง แต่ยังต้องมีการทดสอบเพิ่มเติมเพื่อยืนยันว่ามันสามารถใช้ในโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ได้ ทีมงานยังพบว่าโลหะผสม V555 ที่ไม่ได้ใช้สามารถนำกลับมาใช้ใหม่เพื่อผลิตตัวอย่างเพิ่มเติมโดยไม่ส่งผลกระทบต่อคุณภาพ ซึ่งช่วยลดของเสียในกระบวนการทดสอบ

นักวิจัยจะตรวจสอบประสิทธิภาพของ V555 ในสภาวะความร้อน, รังสี และเงื่อนไขอื่นๆ ของโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ และทดสอบการรวมกันอื่นๆ ที่ระบุผ่านกระบวนการ RAD งานวิจัยนี้ได้รับการสนับสนุนจากสำนักงานพลังงานนิวเคลียร์ของ DOE ผ่านโครงการวัสดุนิวเคลียร์นวัตกรรม ดร. Nartu สรุปในข่าวประชาสัมพันธ์ว่า "เราหวังที่จะแสดงให้เห็นว่าหากคุณมีมาตรฐานที่ถูกต้อง คุณสามารถเลือกธาตุจากศูนย์และออกแบบวัสดุที่เหมาะสมสำหรับการใช้งานนิวเคลียร์ได้อย่างเป็นระบบ" งานวิจัยนี้ได้รับการตีพิมพ์ในวารสาร Materials and Design

ผลกระทบของการออกแบบวัสดุใหม่ต่อการใช้งานพลังงานนิวเคลียร์

การพัฒนาโลหะผสม V555 แสดงถึงความก้าวหน้าที่สำคัญในงานวิจัยวัสดุนิวเคลียร์ เนื่องจากการออกแบบมุ่งเน้นไปที่การรับมือกับสภาวะที่รุนแรงในโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ ด้วยกระบวนการออกแบบโลหะผสมที่แข็งแกร่ง ทีมวิจัยสามารถสำรวจการรวมกันของโลหะที่แตกต่างกันได้อย่างเป็นระบบ ซึ่งเป็นสิ่งสำคัญสำหรับการเลือกวัสดุในระบบนิวเคลียร์ในอนาคต เมื่อมีการทดสอบ V555 เพิ่มเติม หากมันแสดงผลดีในโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ อาจเปลี่ยนวัสดุหุ้มแบบดั้งเดิมที่ใช้อยู่ในปัจจุบัน เพิ่มความปลอดภัยและประสิทธิภาพของพลังงานนิวเคลียร์ นอกจากนี้ ความสามารถในการนำวัสดุกลับมาใช้ใหม่ยังช่วยลดการสูญเสียทรัพยากร ซึ่งสอดคล้องกับความต้องการในการพัฒนาที่ยั่งยืน