科学家设计一个框架来优化核材料涂层的发现
镍基合金是许多先进核反应堆使用的关键材料，但它也存在一些不必要的问题。除了价格昂贵之外，镍矿还产自世界上政治敏感的地区。这种矿石的水分含量也很高，这可能会给用货船运输矿石的人带来安全问题，因为货物可能会晃动并造成负载不平衡。尽管镍的强度与钢相当，并且与钢相比具有几个显着的优势（包括极强的抗腐蚀性能和可以承受核反应堆内恶劣环境的结构），但科学家们仍希望发现替代材料。
美国能源部阿贡国家实验室的核科学和技术专家在过去两年中一直致力于制定一个框架，以加速发现新的适合核反应堆的材料。这些新材料将用于替代镍合金等关键矿物。
发现合适的新材料非常重要，因为推进下一代核电是美国生产清洁能源和实现脱碳目标的核心。
阿贡国家实验室的 Yinbin Miao 表示：“有了这个新框架，我们可以从多物理场模拟中获得更多输入，以确保每次迭代都能带来足够的改进。我们确保每次改变都是有益的，这有助于我们加快优化过程。”
阿贡国家实验室首席材料科学家、研究团队首席研究员苗银斌解释说：“证明和鉴定涂层是否可用于核反应堆需要一个非常复杂的程序。”
“通过使用基于实验测量的多物理模型，我们对问题的不同方面有了更多的了解。这有助于我们找到使用镍合金的不同层的最佳配方或厚度。它帮助我们了解需要什么材料成分，因此我们有一个模型来加速优化速度。”
Miao 在核系统的多物理场模拟和核反应堆恶劣条件下的材料性能分析方面拥有丰富的经验。Sumit Bhattacharya 也是首席材料科学家，是极端环境应用涂层专家。他专注于识别先进材料涂层结构，以及针对复杂设计的涂层开发和优化。
首席核工程师 Ed Hoffman 模拟了每种新材料的技术经济效益，以及每种材料如何影响或不影响对关键材料的依赖。核工程师 Ahmed Amin Abdelhameed 是中子学专家，他根据实验中研究的材料行为来研究反应堆性能的变化。
此外，博士后研究员 Soon Kyu Lee 帮助团队进行建模，另一位擅长材料特性的阿贡首席材料科学家 Wei-Ying Chen 帮助测量模拟所需的一些关键涂层特性。
“以前，我们会进行测试，发现某种材料不够好，然后我们就会改变一些参数，最终得到更优化的解决方案，”苗说。“有了这个新框架，我们可以从多物理场模拟中获得更多输入，以确保每次迭代都能带来足够的改进。我们确保每次改变都是有益的，这有助于我们加快优化过程。”
该团队在候选材料中寻找的一个关键品质是耐腐蚀性。这种品质是必需的，因为核反应堆内部是强辐射和高温环境。材料涂层必须具有机械强度，但它们还需要在正常运行和事故情况下表现出耐腐蚀性。
为了研究一种有前景的材料的耐腐蚀性和材料强度，该团队使用了美国能源部科学办公室用户设施阿贡串联直线加速器系统 (ATLAS) 的一项新功能。
他们用 ATLAS 的重离子轰击目标，以模拟反应堆内的高辐射条件。新的 ATLAS 材料辐照站在一天内使材料性能下降的程度相当于核反应堆一年内使材料性能下降的程度（不包括长期放射性）。他们证明了新材料确实能够承受反应堆条件并抵抗腐蚀。
“我们希望建立一个适用于不同涂层的框架，但我们也需要提供一个示范案例，”苗说。“否则，它只是一个没有任何示范的框架示例。”
该团队将为这种新型涂层材料申请专利，目前正在寻求更多资金以进一步研究其特性。
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