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北京，3月31日(科学日报)——高性能合金被广泛应用于一些非常重要的领域，例如用于保护核反应堆燃料的包层。然而，即使是最好的合金也会在核反应堆的高温、辐射和富氢环境中逐渐被腐蚀。现在，麻省理工学院的研究人员发现了一种新方法，可以大大减少氢对合金的损伤。
根据麻省理工学院官方网站的信息，该团队主要分析了核工业中广泛使用的锆合金。当核反应堆冷却剂中的水分子分裂时，氢元素释放出来，进入锆合金并与之反应。这将降低锆合金的延展性，导致过早的脆性断裂和失效。
研究人员发现，氢原子进入锆合金的第一个障碍是其表面的氧化层。如果这种氧化物是精心设计的，它将阻止氢进入合金，或者以氢的形式“驱逐”氢。
在氢元素进入锆合金之前，它将首先溶解在其表面的氧化层中。实验表明，氢的溶解度可以通过在氧化层中掺杂其他元素来控制，并且其溶解度随着掺杂元素带入氧化层的电子数呈U形曲线变化。换句话说，有一种掺杂元素可以最小化氢的渗透性并防止氢进入氧化物层。另一种掺杂元素可以最大程度地将电子带到氧化物层，并促进氧化物层释放氢。因此，为锆合金设计一个强“屏障”的关键是找到有效的掺杂元素。
有鉴于此，研究人员发现了两种有效的策略:一是“保持”以最小化氢的渗透，这可以通过掺杂铬来实现；一个是“释放”，旨在最大限度地释放渗透进来的氢元素。这可以通过掺杂铌来实现。这些掺杂元素可以在锆合金制造过程中加入，并结合到锆合金表面的氧化物层中。
美国密歇根大学可持续能源、环境和地球系统工程教授加里·瓦斯(Gary Vaz)评论说，氢行为被认为是核反应堆在正常运行条件下面临的最大潜在挑战，这项研究是从物理角度理解锆合金中氢行为的首次尝试。
然而，研究人员强调，这两种策略可能是可应用于各种合金的通用方法，并且它们具有在许多重要领域提高合金材料的使用寿命的潜力。
