اگه تا حالا به این فکر کردید که چی باعث میشه دیوارای راکتورهای هستهای اینقدر مقاوم باشن و سالها زیر فشار و گرما و تابش وایسن، جوابش خیلی خلاصه اینه: فولاد یا همون استیل! این ماده همیشه بخش جداییناپذیر مهندسی انرژی هستهای بوده و توی ساخت قطعات کلیدی راکتورها نقش اصلی رو داشته. ولی تکنولوژی داره عوض میشه و الان پای پرینت سهبعدی یا همون Additive Manufacturing هم وسط اومده! (یعنی ساختن قطعات لا به لا و لایه لایه با دستگاههای ویژه، نه تولید سنتی.)
خب حالا قضیه اینه که با پرینت سهبعدی، میشه قطعات استیل رو با طرحهای پیچیدهتر و خیلی سریعتر ساخت. اما یه مشکلی هست: این روش، ممکنه عیبهایی توی ساختار ریزدانه استیل بجا بذاره که بعداً توی عملکردش توی راکتور هستهای مشکلساز شه. برای همین دانشمندا دنبال این هستن که دقیق بدونن این استیلهای پرینتشده چهجور رفتار میکنن و چطور میشه تولیدشونو بهتر کنترل کرد.
آزمایشهایی که توی آزمایشگاه «Argonne» وزارت انرژی آمریکا انجام شده، دقیقاً روی همین موضوع کار کرده. محققها با استفاده از پرینتر سهبعدی خاص که بهش میگن «Laser Powder Bed Fusion» یا به اختصار LPBF (یعنی هر لایه از پودر فلز رو با لیزر ذوب میکنن و بعد لایه بعدی رو اضافه میکنن)، دو نمونه معروف استیل برای انرژی هستهای چاپ کردن: ۳۱۶H که نسخه کلاسیک استیل ضدزنگ برای قطعات راکتوریه و آلیاژ جدید A709 که واسه نسل جدید راکتورهای پیشرفته طراحی شده.
حالا خود پرینت سهبعدی عادت داره یه عالمه دیسلوکیشن بجا بذاره توی ساختار استیل. (دیسلوکیشن یعنی جابهجایی یا ناپایداری کوچیک توی نظم اتمهای استیل که باعث مقاومت بیشترش میشه، ولی اگه زیاد باشه، عمرشو کم میکنه و آسیبپذیرترش میکنه.) برای همین همیشه بعدش قطعاتو حرارت میدن تا این استرسهای اضافی برطرف شه. البته بعضی وقتا نگه داشتن بخشی از همین دیسلوکیشنها اتفاقا میتونه مفید باشه و مقاومت رو بیشتر کنه!
توی تحقیقاتی که انجام دادن فهمیدن که استیلهای پرینتشده رفتار متفاوتی نسبت به استیلهای سنتی (که بهشون wrought steel میگن، یعنی همون تولید شده به روش قدیمی) دارن، مخصوصاً وقتی با حرارت عملشون میکنن. مثلاً توی یکی از آزمایشها با مجهزترین دستگاههای میکروسکوپ الکترونی CNM و «پرتوایکس با انرژی بالا» (که یعنی با اشعه ایکس فوقالعاده قوی میتونن توی عمق ماده نگاه کنن) بررسی کردن که چجوری این استیلهای جدید تحت تیمار حرارتی ساختارشون تغییر میکنه. دیدن اکسیدهای نانویی (یعنی ذرات خیلی ریز اکسید که معمولاً توی مواد پرینتشده با پرینتر سهبعدی بیشتر پیداشون میشه) جلوی ترمیم و تبلور مجدد ساختار رو میگیرن، که این خودش یه نکته مهم واسه طراحیهای بعدیه.
محققها این اطلاعات ساختاری رو ربط دادن به ویژگیهای مکانیکی مثل قدرت کشسانی (یعنی اینکه قطعه چه فشاری رو میتونه تحمل کنه قبل از اینکه بشکنه) و مقاومت در برابر خزش (creep – یعنی مقاومت قطعه وقتی زمان طولانی تحت فشار و گرما باشه).
قسمت جالب ماجرا درباره آلیاژ A709 بود. برای اولین بار این آلیاژ رو با پرینت سهبعدی ساختن و بعد تحت چندتا تیمار حرارتی مختلف قرار دادن. وقتی با دستگاههای دقیق قدرت کشش این قطعات رو اندازه گرفتن، مشاهده کردن حتی تو دمای اتاق و همچنین دمای ۵۵۰ درجه سانتیگراد (که مشخصاً مرتبط با کاربرد راکتورهای سدیممحوره – sodium fast reactor)، نمونههای پرینتشده از نمونههای سنتی قویتر بودن! علت این هم همون دیسلوکیشنهای بیشتر و رسوبهای ریزیه که توی قطعات پرینتشده درست میشه.
این تحقیقات یه جور نقشه راه دادن واسه طراحی فرآیندهای حرارتی ویژه برای استیلهای پرینتشده تا هم مقاومتر بشن، هم امنیت راکتورها حفظ شه. یکی از محققها به اسم «مانتری» گفته: «نتایج ما کمک میکنه تیمارهای حرارتی اختصاصی برای استیلهای پرینتشده توسعه بدیم، و این اطلاعات پایهای طراحی قطعات نسل جدید راکتور رو هم هدایت میکنه.» یکی دیگه هم گفته: «اصل کاری که ما داریم انجام میدیم، فهم بهتر اساسیه راجعبه این استیلهای پرینتشدهست.»
خلاصه که آینده راکتورهای هستهای قراره پر از قطعات استیل پرینت سهبعدیشده باشه که با تیمارهای حرارتی هدفمند واقعاً مقاوم و قابل اعتماد شدن. تکنولوژیهای جدید مثل همیشه دارن دنیای مهندسی رو زیر و رو میکنن و این بار هم نتیجهش چیزی جز امنیت و بازده بیشتر واسه انرژی هستهای نیست!
منبع: +
