Las aleaciones a base de níquel, materiales críticos utilizados en muchos reactores nucleares avanzados, vienen con un equipaje no deseado.Además de ser muy caro, el mineral de níquel se extrae en partes del mundo políticamente sensibles.El mineral también tiene un alto contenido de humedad que puede plantear problemas de seguridad para quienes lo transportan en buques de carga porque la carga puede chapotear y crear un desequilibrio de carga.

A pesar de la resistencia comparable del níquel y varias ventajas notables sobre el acero, incluida una gran resistencia a la corrosión y una estructura que puede soportar los duros ambientes dentro de los reactores nucleares, a los científicos les gustaría descubrir materiales alternativos.

Los expertos en ciencia y tecnología nucleares del Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de Estados Unidos (DOE) han estado trabajando durante los últimos dos años para desarrollar un marco que acelere el descubrimiento de nuevosreactor nuclear-materiales apropiados.Estos nuevos materiales se utilizarían en lugar de minerales críticos como las aleaciones de níquel.

El descubrimiento de nuevos materiales apropiados es importante porque el avance de la próxima generaciónenergía nucleares fundamental para los esfuerzos de Estados Unidos por producir energía limpia y cumplir los objetivos de descarbonización.

"Con este nuevo marco, tenemos más información de simulaciones multifísicas para asegurarnos de que cada iteración proporcione una mejora suficiente. Nos aseguramos de que cada cambio sea beneficioso y eso nos ayuda a acelerar el procedimiento de optimización", dijo Yinbin Miao, de Argonne National.Laboratorio.

"Se necesita un procedimiento muy complejo para demostrar y calificar un recubrimiento para su uso en un reactor nuclear", explicó Yinbin Miao, científico principal de materiales de Argonne e investigador principal del equipo que lleva a cabo la investigación.

"Al utilizar un modelo multifísico basado en mediciones experimentales, tenemos más información sobre diferentes aspectos del problema. Eso nos ayuda a encontrar la receta optimizada o el espesor de diferentes capas que usan aleaciones de níquel. Nos ayuda a comprender cuál será la composición del material."Es necesario para que tengamos un modelo que acelere la velocidad de optimización".

Miao tiene experiencia en simulación multifísica de sistemas nucleares y análisis del rendimiento de materiales en condiciones duras en reactores nucleares.Sumit Bhattacharya, también científico principal de materiales, es experto en recubrimientos para aplicaciones en entornos extremos.Se centra en identificar la arquitectura avanzada de revestimiento de materiales y su desarrollo y optimización para diseños complejos.

El ingeniero nuclear principal Ed Hoffman modela los beneficios tecnoeconómicos de cada nuevo material y cómo cada material afecta o no la dependencia demateriales críticos.Ahmed Amin Abdelhameed, ingeniero nuclear, es experto en neutrónica y estudia los cambios en el rendimiento de un reactor basándose en el comportamiento de los materiales estudiados en los experimentos.

Además, el investigador postdoctoral Soon Kyu Lee ayuda al equipo con el modelado y Wei-Ying Chen, otro científico principal de materiales de Argonne con experiencia en caracterización de materiales, ayuda a medir algunas propiedades clave del recubrimiento necesarias para las simulaciones.

"Anteriormente, hacíamos una prueba que revelaba que un material no era lo suficientemente bueno, luego cambiábamos algunos parámetros y finalmente obteníamos una solución más óptima", dijo Miao."Con este nuevo marco, tenemos más información de simulaciones multifísicas para asegurarnos de que cada iteración proporcione una mejora suficiente. Nos aseguramos de que cada cambio sea beneficioso y eso nos ayuda a acelerar el procedimiento de optimización".

Una cualidad clave que el equipo busca en los materiales candidatos es la resistencia a la corrosión.Esta cualidad es necesaria porque el interior de un reactor nuclear es un ambiente de intensa radiación y alta temperatura.Los revestimientos de materiales deben poseerresistencia mecánicapero también deben demostrar resistencia a la corrosión tanto durante operaciones normales como en escenarios de accidente.

Para estudiar la resistencia a la corrosión y la resistencia del material de un material prometedor, el equipo utilizó una nueva capacidad en el Sistema Acelerador Tandem Linac Argonne (ATLAS), una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE.

Bombardearon su objetivo con los iones pesados ​​de ATLAS para simular las condiciones de alta radiación dentro de un reactor.La nueva estación de irradiación de materiales ATLAS degradó las propiedades del material tanto en un día como lo hace un reactor nuclear en un año, menos la radiactividad duradera.Demostraron que el nuevo material podía efectivamente soportar las condiciones del reactor y resistir la corrosión.

"Queríamos construir un marco que funcionara para diferentes recubrimientos, pero también necesitábamos proporcionar un caso de demostración", dijo Miao."Por lo demás, se trataba simplemente de un ejemplo marco sin ninguna demostración".

El equipo presentará una patente para el nuevo material de recubrimiento y actualmente está buscando más financiación para investigar más a fondo sus propiedades.