En ny klass av avancerade stål behöver finjusteras ytterligare innan de kan användas i systemkomponenter för fusionsenergi – ett mer hållbart alternativ till fission som kombinerar två lätta atomer istället för att dela en tung atom. Legeringen, en typ av ferritiskt/martensitiskt stål med reducerad aktivering (RAFM), innehåller miljarder nanopartiklar av titankarbid som är avsedda att absorbera strålning och fånga upp helium som produceras vid fusion inom en enda komponent.
När de utsattes för strålningsskador och heliumkoncentrationer som är representativa för fusion, hjälpte titankarbidutfällningarna initialt till att fånga helium, men löste senare upp sig under höga skadenivåer. Efter upplösningen svällde legeringen eftersom den inte längre kunde sprida och fånga helium, vilket kunde äventyra komponenterna i fusionsenergisystemet.
Den första systematiska undersökningen i sitt slag, ledd av ingenjörer vid University of Michigan, publicerades i Acta Materialia och Journal of Nuclear Materials i en serie av tre artiklar.
”Dessa resultat är några av de mest tillförlitliga resultaten när det gäller strålningstolerans hos fusionstillämpliga stål och kommer att vägleda utvecklingen av legeringar och förfiningen av strålningseffektmodeller under många år framöver”, säger Kevin Field, professor i kärnteknik och radiologiska vetenskaper vid U-M och seniorförfattare till studierna.
En teknik på väg
Hittills har storskaliga fusionssystem endast demonstrerats i ett fåtal toppmoderna nationella laboratorier världen över, däribland Lawrence Livermore National Laboratory i Kalifornien. Fusionenergi har väckt stort intresse, men tekniken är ännu inte mogen för småskaliga kraftverk.
Över 90 kärnklyvningsreaktorer är för närvarande i drift i USA för att tillhandahålla en stabil källa till koldioxidfri energi, men forskare ser fusionsenergi som ett mer hållbart alternativ. Medan klyvning vanligtvis är beroende av ändliga uranresurser, kan fusion drivas med hjälp av väteisotoper som utvinns från rikliga källor såsom havsvatten.
Fusionsenergi har också ökade säkerhetsfördelar eftersom den producerar helium och kortlivade radioaktiva avfall som är lättare att hantera än långlivade radioaktiva avfall från fission. Dessutom slocknar reaktionen helt enkelt utan risk för härdsmälta om ett fusionsenergisystem skulle sluta fungera.
Nackdelen är att fusionsenergisystem måste nå 100 miljoner grader Celsius – mycket varmare än solens yta – i reaktionskärnan och tillåta andra komponenter, såsom de som använder RAFM-stål, att nå upp till 600 °C.
Förutom strålning och extrem värme kan neutroner som genereras från en fusionsreaktion interagera med material och skapa helium inuti dem. I höga koncentrationer kan helium få material i systemet att svälla och deformeras. Att utveckla ett material som tål dessa extrema förhållanden är ett viktigt steg mot att bygga upp en kapacitet för en ren energikälla.
Kevin Field, professor i kärnteknik och radiologiska vetenskaper, och Ethan Polselli, doktorand vid samma institution, arbetar tillsammans vid Michigan Ion Beam Laboratory, där de dubbla jonstråleförsöken genomfördes. Foto: Brenda Ahearn, Michigan Engineering
Ett nytt sätt att testa fusionsmaterial
Hittills har de flesta experiment endast kunnat testa ett materials strålnings- eller heliumresistens isolerat. I ett mer omfattande tillvägagångssätt använde forskarna en partikelaccelerator för att samtidigt bombardera stålprover med en järnjonstråle – som orsakar strålningsskador – och en heliumjonstråle, vilket mer exakt simulerar fusionsenergiförhållanden.
Forskarna kan finjustera strålningsskadorna (1 till 100 förskjutningar per atom, eller dpa), heliumkoncentrationerna (10 till 25 atomdelar per miljon producerade per dpa) och temperaturerna (från 300 till 600 °C) för att bättre förstå dosberoende materialbeteenden.
”Kontrollnivån och detaljrikedomen i dessa experiment för oss betydligt närmare simulering av förhållandena i en reaktor. Denna förmåga är avgörande när vi går vidare med att upptäcka och optimera material för att möjliggöra framtida användning av kärnfusion”, säger T.M. Kelsy Green, doktor i kärnteknik och radiologiska vetenskaper vid U-M, nuvarande senior materialingenjör vid Antares och huvudförfattare till de tre studierna.
Forskningsteamet testade specifikt en ny klass av järn-kromstål (Fe-9Cr) kallad gjutbar nanostrukturerad legering #9, eller CNA9 förkortat, en ny generation RAFM-legering som utvecklats av Oak Ridge National Laboratory fusion materials team och som kan hålla en hög densitet av titankarbidutfällningar.
Efter exponering för de dubbla jonstrålarna undersöktes proverna noggrant med hjälp av avancerad elektronmikroskopi för att karakterisera titankarbidutfällningar och heliumbubblor på nanonivå.
Titankarbidpartiklarna fångade upp en del helium som bubblor på sin yta, med högst framgång vid omkring 500 °C. Trots den delvisa framgången bildade det helium som inte fångades upp bubblor i stålmassan, vilket fick legeringen att expandera med 2 % vid de högsta strålningsnivåerna.
Vidare visade titankarbidutfällningar viss stabilitet vid högre temperaturer (500–600 °C) och lägre strålningsnivåer (mindre än 15 dpa), men löste sig helt vid högre skadenivåer (50 till 100 dpa) oavsett temperatur. Resultaten tyder på att den nuvarande legeringskonstruktionen skulle minska strålningsbeständigheten tidigt i fusionsreaktorens livslängd.
”Resultaten vid höga strålningsdoser (>15 dpa) var överraskande, eftersom vi förväntade oss att titankarbidutfällningarna fortfarande skulle vara stabila vid de högsta utvärderade temperaturerna, men så var uppenbarligen inte fallet”, säger Field.
Forskarna föreslår att man i fortsättningen justerar stålet genom att öka densiteten av titankarbidutfällningar med 1 000 gånger för att effektivare förhindra svällning och genomföra fler jonstråltester vid olika hastigheter för att bättre simulera fusionsenergi-miljöer.
”Den preferentiella bindningen mellan TiC-nanoprecipitater och heliumatomer som observerats i denna serie studier belyser den fördelaktiga rollen som TiC spelar i de nyutvecklade CNA-stål. Dessutom ger upplösningen av TiC-utfällningar under höga strålningsdoser värdefull vägledning för framtida utvecklingsinsatser, vilket understryker behovet av mer stabila TiC-utfällningar i CNA-stålkonstruktioner”, säger Ying Yang, forskare vid Oak Ridge National Laboratory och medförfattare till studierna.
Materialen studerades vid Michigan Ion Beam Laboratory och Michigan Center for Materials Characterization, och arbetet utfördes av NOME-laboratoriet.
Mer information: T.M. Kelsy Green et al, MX-utfällningsbeteende i ett bestrålat avancerat Fe-9Cr-stål: Heliumsekvestrering och kavitetssvällningsprestanda, Journal of Nuclear Materials (2025). DOI: 10.1016/j.jnucmat.2025.155727
T.M. Kelsy Green et al, MX-utfällningsbeteende i ett bestrålat avancerat Fe-9Cr-stål: Heliumets effekter på fasstabilitet, Acta Materialia (2025). DOI: 10.1016/j.actamat.2025.121202
T.M. Kelsy Green et al, MX-utfällningsbeteende i ett bestrålat avancerat Fe-9Cr-stål: Självjoniserande bestrålningseffekter på fasstabilitet, Acta Materialia (2025). DOI: 10.1016/j.actamat.2025.121203
