Las aleaciones de metal de alta tecnología se usan ampliamente en materiales importantes como el revestimiento que protege el combustible dentro de un reactor nuclear. Pero incluso las mejores aleaciones se degradan con el tiempo, víctimas de las altas temperaturas, la radiación y el entorno rico en hidrógeno de un reactor.Ahora, un equipo de investigadores del MIT ha encontrado una manera de reducir en gran medida los efectos dañinos que estos metales sufren por la exposición al hidrógeno.
El análisis del equipo se centró en las aleaciones de circonio, que se utilizan ampliamente en la industria nuclear, pero los principios básicos que encontraron podrían aplicarse a muchas aleaciones metálicas utilizadas en otros sistemas de energía y aplicaciones de infraestructura, dicen los investigadores. Los hallazgos aparecen en la revista Revisión física aplicada en un documento del profesor asociado del MIT Bilge Yildiz, postdoctorado Mostafa Youssef y el estudiante graduado Ming Yang.
El hidrógeno, que se libera cuando las moléculas de agua del refrigerante de un reactor se rompen, pueden ingresar al metal y reaccionar con él. Esto conduce a una reducción de la ductilidad del metal, o su capacidad de sostener una carga mecánica antes de fracturarse. Eso a su vezpuede provocar grietas y fallas prematuras. En las centrales nucleares, "la integridad mecánica de ese revestimiento es extremadamente importante", dice Yildiz, por lo que encontrar formas de mejorar su longevidad es una alta prioridad.
Pero resulta que la entrada inicial de los átomos de hidrógeno en el metal depende de manera crucial de las características de una capa que se forma en la superficie del metal.
Una capa de óxido de circonio se forma naturalmente en la superficie del circonio en agua a alta temperatura, y actúa como una especie de barrera protectora. Si se manipula cuidadosamente, esta capa de óxido podría inhibir la entrada de hidrógeno en la estructura cristalina delmetal. O, en otras condiciones, podría emitir el hidrógeno en forma de gas.
Mientras los investigadores han estado estudiando la fragilidad por hidrógeno durante décadas, Yildiz dice, "casi todo el trabajo se ha centrado en lo que le sucede al hidrógeno dentro del metal: ¿Cuáles son las consecuencias, a dónde va, cómo conduce a la fragilidad? Yaprendimos mucho de esos estudios. "Pero había habido muy poco trabajo sobre cómo entra el hidrógeno en primer lugar, dice. Cómo el hidrógeno puede entrar a través de esta capa de óxido superficial, o cómo puede descargarse como un gas de esocapa, no se ha cuantificado.
"Si sabemos cómo entra o cómo se puede descargar o expulsar de la superficie, eso nos da la capacidad de predecir modificaciones en la superficie que pueden reducir la velocidad de entrada", dice Yildiz. Su equipo ha descubierto que es posiblehaga exactamente eso, mejorando la capacidad de la barrera para bloquear el hidrógeno entrante, potencialmente hasta mil veces.
El hidrógeno tiene que disolverse primero en la capa de óxido antes de penetrar en la mayor parte del metal debajo. Pero la disolución del hidrógeno se puede controlar al dopar esa capa, es decir, al introducir átomos de otro elemento o elementos en ella.El equipo descubrió que la cantidad de solubilidad de hidrógeno en el óxido sigue una curva en forma de valle, dependiendo de la capacidad del elemento de dopaje para introducir electrones en la capa de óxido.
"Hay un cierto tipo de elemento de dopaje que minimiza la capacidad de penetración del hidrógeno, mientras que otros elementos de dopaje pueden introducir una cantidad máxima de electrones en el óxido y facilitar la expulsión del gas de hidrógeno directamente en la superficie del óxido", diceMostafa. Por lo tanto, poder predecir los dopantes que pertenecen a cada tipo es el truco esencial para hacer una barrera efectiva.
Los hallazgos del equipo sugieren dos estrategias potenciales, una dirigida a minimizar la penetración de hidrógeno y otra a maximizar la expulsión de átomos de hidrógeno que ingresan.
La estrategia de bloqueo es "apuntar al fondo del valle" incorporando la cantidad correcta de un elemento, como el cromo, que produce este efecto. La otra estrategia se basa en diferentes elementos, incluido el niobio, que impulsan el hidrógeno hacia afueraLa superficie de óxido y proteger la aleación de circonio subyacente.
El dopaje podría lograrse incorporando una pequeña cantidad del metal dopante en la matriz inicial de aleación de circonio, de modo que esto a su vez se incorpore a la capa de oxidación que se forma naturalmente en el metal, dice el equipo.
El equipo enfatiza que lo que encontraron es probable que sea un enfoque general que se pueda aplicar a todo tipo de aleaciones que formen capas de oxidación en sus superficies, como la mayoría lo hace. Su enfoque podría conducir a mejoras en la longevidad de las aleaciones utilizadas en fósilesplantas de combustible, puentes, tuberías, celdas de combustible y muchas otras aplicaciones.
"Cualquier lugar donde haya metales expuestos a altas temperaturas y agua", dice Yildiz, por ejemplo en equipos utilizados en la extracción de petróleo y gas, es una situación potencial donde este trabajo podría ser aplicable.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de Massachusetts . Original escrito por David L. Chandler. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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