در حال حاضر این روش تنها در مورد آلومینیم که کاربردهای آن محدود به محیط‌‌های با دمای پایین‌‌تر در راکتورهای تحقیقاتی می‌‌شود موفق بوده است. اما به عقیده‌‌ی تیم تحقیقاتی ممکن است بتوان از این روش در آلیاژهای مورد استفاده در دماهای بالاتر راکتورهای تجاری نیز بهره برد. این یافته‌‌ها در ژورنال نانو انرژی در مقاله‌‌ای توسط چند دانشمند MIT، کره‌‌ی جنوبی، شیلی و آرژانتین شرح داده شده‌‌ است. آلومینیم در حال حاضر نه تنها در اجزای راکتورهای تحقیقاتی، بلکه همچنین در باتری‌‌های هسته‌‌ای و فضاپیماها به کار می‌‌رود؛ همچنین امکان استفاده از آن در مخازن ذخیره‌‌ی زباله‌‌های هسته‌‌ای وجود دارد. به همین دلیل به گفته‌‌ی Ju Li استاد علوم و مهندسی مواد افزایش طول عمر عملیاتی آن مزایای قابل توجهی خواهد داشت. به گفته‌‌ی Kang Pyo So این فلز همراه با نانولوله‌‌های کربن پخش شده به طور یکنواخت در آن به منظور کاهش آسیب‌‌های تشعشعی در طولانی مدت طراحی شده است.

بنا بر توضیح محققان، هلیم حاصل از واکنش‌‌های هسته‌‌ای وارد فلزات می‌‌شود و باعث می‌‌شود ماده با حباب‌‌های کوچک سوراخ سوراخ و به تدریج شکننده شود. نانولوله‌‌ها اگر چه تنها کسر کوچکی از حجم را اشغال می‌‌کنند (کمتر از دو درصد) می‌‌توانند یک شبکه‌‌ی حمل یک بعدی ایجاد کنند که مسیری برای خروج هلیم از ماده به جای به دام افتادن در آن باشد.

به گفته‌‌ی Ju Li آزمایش‌‌ها نشان داده‌‌اند که پس از قرار گرفتن در معرض تابش، نانولوله‌‌های کربن داخل فلز از نظر شیمیایی به کاربید تبدیل می‌‌شوند اما همچنان شکل بلند و باریک خود را حفظ می‌‌کنند و این بسیار شگفت‌‌انگیز است. شبکه همچنان یک بعدی است؛ سطح تماس بسیار زیاد این نانوساختارهای یک بعدی به نقص‌‌های ایجاد شده در فلز در اثر تابش اجازه می‌‌دهد مجدداً ترکیب شوند و بدین ترتیب روند شکننده شدن ماده کند می‌‌شود. محققان نشان دادند که این ساختار یک بعدی تا آسیب تشعشعی 70 DPA سالم می‌‌ماند. (DPA واحد بیان‌‌کننده‌‌ی تعداد دفعاتی است که به طور میانگین هر اتم در شبکه‌‌ی کریستالی توسط تابش از جای خود جدا می‌‌شود. با این وصف 70 DPA آسیب تشعشعی بالایی دارد.)

به گفته‌‌ی Ju Li پس از قرار گرفتن در معرض تابش، خلل و فرج در نمونه‌‌ی کنترلی مشاهده می‌‌شود اما در ماده‌‌ی جدید هیچ تخلخلی به وجود نمی‌‌آید. همچنین داده‌‌های مکانیکی نشان می‌‌دهد شکنندگی نمونه‌‌ی جدید بسیار کمتر است. آزمایش‌‌ها نشان می‌‌دهند که برای یک مقدار خاص تشعشع، میزان شکنندگی ماده حدود پنج تا ده برابر کاهش می‌‌یابد.

ماده‌‌ی جدید نیاز به مقدار کمی نانولوله‌‌ی کربن (CNT)، چیزی در حدود یک درصد وزنی فلز دارد. تولید آن کم هزینه است؛ کامپوزیت مورد نظر را می‌‌توان با هزینه‌‌ی کم با روش‌‌های صنعتی معمول تولید کرد و در حال حاضر این کامپوزیت توسط تولیدکنندگان کره‌‌ای ساخته می‌‌شود. حتی قبل از قرار گرفتن در معرض تابش، اضافه کردن این نانولوله‌‌های کربن استحکام ماده را تا پنجاه درصد افزایش می‌‌دهد و همچنین خاصیت تغییر شکل بدون شکستن را برای ماده فراهم می‌‌کند.

ماده‌‌ی مورد استفاده در آزمایش‌‌ها آلومینیم بوده است. تیم تحقیقاتی قصد دارد آزمایش‌‌هایی مشابه را روی زیرکانیم، فلزی مورد استفاده در راکتورهای دمای بالا انجام دهد. باور تیم تحقیقاتی بر این است که این نتیجه در مورد تمام سیستم‌‌های فلز-نانولوله‌‌ی کربن به دست خواهد آمد.

در این مورد Sergei Dudarev استاد علوم مواد دانشگاه آکسفورد انگلستان که در این تحقیقات شرکت نداشته است می‌‌گوید: «این تحقیقات پیشرفتی پر اهمیت در علم مواد هسته‌‌ای است. کامپوزیت‌‌ها مدت طولانی است که کاندیدای مناسبی در این حوزه برای کاربرد در تشعشع و دمای بالا در نظر گرفته شده‌‌اند.» Dudarev اضافه می‌‌کند که این ماده‌‌ی کامپوزیتی جدید تحت تابش‌‌های طولانی پایدار است و این موضوع نشان می‌‌دهد که این ماده قابلیت خود بهبودیابی و حفظ نسبی خواص خود پس از قرار گرفتن در معرض تابش شدید در دمای اتاق را دارد. کم هزینه بودن تولید این کامپوزیت نیز مزیتی بسیار قابل توجه است. فیزیکدان آزمایشگاه ملی لارنس لیومور، Sergei Kucheyev که در این تحقیقات شرکت نداشته است می‌‌گوید: «این نتایج تأثیرات مهمی در فناوری خواهند داشت. همچنین متوجه می‌‌شویم که درک ما از فیزیک آسیب‌‌های هسته‌‌ای در حوزه‌‌های تکنولوژیکی مربوط هنوز محدود است.»

Science Blog

شیمی هسته‌ای

نانولوله‌های کربنی

منابع مفید:

نسل جدید حسگرها از نانولوله‌های کربنی

رادیواکتیویته

نانولوله‌های کربنی - مشاهده علمی

نانوذرات و کاربرد آن‌ها

عناصر مصنوعی

نانوساختارها

نانوشیمی - ۱

نانوشیمی -۲

کربید - ویکی پدیا

کامپوزیت - ویکی پدیا

در حال حاضر این روش تنها در مورد آلومینیم که کاربردهای آن محدود به محیط‌‌های با دمای پایین‌‌تر در راکتورهای تحقیقاتی می‌‌شود موفق بوده است. اما به عقیده‌‌ی تیم تحقیقاتی ممکن است بتوان از این روش در آلیاژهای مورد استفاده در دماهای بالاتر راکتورهای تجاری نیز بهره برد. این یافته‌‌ها در ژورنال نانو انرژی در مقاله‌‌ای توسط چند دانشمند MIT، کره‌‌ی جنوبی، شیلی و آرژانتین شرح داده شده‌‌ است. آلومینیم در حال حاضر نه تنها در اجزای راکتورهای تحقیقاتی، بلکه همچنین در باتری‌‌های هسته‌‌ای و فضاپیماها به کار می‌‌رود؛ همچنین امکان استفاده از آن در مخازن ذخیره‌‌ی زباله‌‌های هسته‌‌ای وجود دارد. به همین دلیل به گفته‌‌ی Ju Li استاد علوم و مهندسی مواد افزایش طول عمر عملیاتی آن مزایای قابل توجهی خواهد داشت. به گفته‌‌ی Kang Pyo So این فلز همراه با نانولوله‌‌های کربن پخش شده به طور یکنواخت در آن به منظور کاهش آسیب‌‌های تشعشعی در طولانی مدت طراحی شده است.

بنا بر توضیح محققان، هلیم حاصل از واکنش‌‌های هسته‌‌ای وارد فلزات می‌‌شود و باعث می‌‌شود ماده با حباب‌‌های کوچک سوراخ سوراخ و به تدریج شکننده شود. نانولوله‌‌ها اگر چه تنها کسر کوچکی از حجم را اشغال می‌‌کنند (کمتر از دو درصد) می‌‌توانند یک شبکه‌‌ی حمل یک بعدی ایجاد کنند که مسیری برای خروج هلیم از ماده به جای به دام افتادن در آن باشد.

به گفته‌‌ی Ju Li آزمایش‌‌ها نشان داده‌‌اند که پس از قرار گرفتن در معرض تابش، نانولوله‌‌های کربن داخل فلز از نظر شیمیایی به کاربید تبدیل می‌‌شوند اما همچنان شکل بلند و باریک خود را حفظ می‌‌کنند و این بسیار شگفت‌‌انگیز است. شبکه همچنان یک بعدی است؛ سطح تماس بسیار زیاد این نانوساختارهای یک بعدی به نقص‌‌های ایجاد شده در فلز در اثر تابش اجازه می‌‌دهد مجدداً ترکیب شوند و بدین ترتیب روند شکننده شدن ماده کند می‌‌شود. محققان نشان دادند که این ساختار یک بعدی تا آسیب تشعشعی 70 DPA سالم می‌‌ماند. (DPA واحد بیان‌‌کننده‌‌ی تعداد دفعاتی است که به طور میانگین هر اتم در شبکه‌‌ی کریستالی توسط تابش از جای خود جدا می‌‌شود. با این وصف 70 DPA آسیب تشعشعی بالایی دارد.)

به گفته‌‌ی Ju Li پس از قرار گرفتن در معرض تابش، خلل و فرج در نمونه‌‌ی کنترلی مشاهده می‌‌شود اما در ماده‌‌ی جدید هیچ تخلخلی به وجود نمی‌‌آید. همچنین داده‌‌های مکانیکی نشان می‌‌دهد شکنندگی نمونه‌‌ی جدید بسیار کمتر است. آزمایش‌‌ها نشان می‌‌دهند که برای یک مقدار خاص تشعشع، میزان شکنندگی ماده حدود پنج تا ده برابر کاهش می‌‌یابد.

ماده‌‌ی جدید نیاز به مقدار کمی نانولوله‌‌ی کربن (CNT)، چیزی در حدود یک درصد وزنی فلز دارد. تولید آن کم هزینه است؛ کامپوزیت مورد نظر را می‌‌توان با هزینه‌‌ی کم با روش‌‌های صنعتی معمول تولید کرد و در حال حاضر این کامپوزیت توسط تولیدکنندگان کره‌‌ای ساخته می‌‌شود. حتی قبل از قرار گرفتن در معرض تابش، اضافه کردن این نانولوله‌‌های کربن استحکام ماده را تا پنجاه درصد افزایش می‌‌دهد و همچنین خاصیت تغییر شکل بدون شکستن را برای ماده فراهم می‌‌کند.

ماده‌‌ی مورد استفاده در آزمایش‌‌ها آلومینیم بوده است. تیم تحقیقاتی قصد دارد آزمایش‌‌هایی مشابه را روی زیرکانیم، فلزی مورد استفاده در راکتورهای دمای بالا انجام دهد. باور تیم تحقیقاتی بر این است که این نتیجه در مورد تمام سیستم‌‌های فلز-نانولوله‌‌ی کربن به دست خواهد آمد.

در این مورد Sergei Dudarev استاد علوم مواد دانشگاه آکسفورد انگلستان که در این تحقیقات شرکت نداشته است می‌‌گوید: «این تحقیقات پیشرفتی پر اهمیت در علم مواد هسته‌‌ای است. کامپوزیت‌‌ها مدت طولانی است که کاندیدای مناسبی در این حوزه برای کاربرد در تشعشع و دمای بالا در نظر گرفته شده‌‌اند.» Dudarev اضافه می‌‌کند که این ماده‌‌ی کامپوزیتی جدید تحت تابش‌‌های طولانی پایدار است و این موضوع نشان می‌‌دهد که این ماده قابلیت خود بهبودیابی و حفظ نسبی خواص خود پس از قرار گرفتن در معرض تابش شدید در دمای اتاق را دارد. کم هزینه بودن تولید این کامپوزیت نیز مزیتی بسیار قابل توجه است. فیزیکدان آزمایشگاه ملی لارنس لیومور، Sergei Kucheyev که در این تحقیقات شرکت نداشته است می‌‌گوید: «این نتایج تأثیرات مهمی در فناوری خواهند داشت. همچنین متوجه می‌‌شویم که درک ما از فیزیک آسیب‌‌های هسته‌‌ای در حوزه‌‌های تکنولوژیکی مربوط هنوز محدود است.»

Science Blog

شیمی هسته‌ای

نانولوله‌های کربنی

منابع مفید:

نسل جدید حسگرها از نانولوله‌های کربنی

رادیواکتیویته

نانولوله‌های کربنی - مشاهده علمی

نانوذرات و کاربرد آن‌ها

عناصر مصنوعی

نانوساختارها

نانوشیمی - ۱

نانوشیمی -۲

کربید - ویکی پدیا

کامپوزیت - ویکی پدیا