图：核燃料棒放置在合金成分前面的艺术家想象图。

高性能合金广泛用于一些非常重要的领域，例如核反应堆中用来保护燃料的包层。然而即使是最好的合金也会在核反应堆高温、辐射和富氢环境中逐渐遭到侵蚀。现在，美国麻省理工学院的研究人员找到一种新方法，可以大大减弱氢对合金的破坏。

据麻省理工学院官网消息，该校科学与工程学院电化学界面实验室Bilge Yildiz副教授团队主要分析了广泛用于核工业中的锆合金。当核反应堆冷却剂中的水分子分裂后会释放出氢元素，这些氢元素会进入锆合金并与之发生反应。这会降低锆合金的延展性，使其提前脆裂并发生故障。相关研究成果发表在Physical Review Applied期刊上。

研究人员发现，氢原子进入锆合金的第一道关口就是其表面的氧化层。如果对这层氧化物精心设计，它会阻止氢元素进入合金内部，或者以氢气的形式将氢元素再次“驱赶”出来。

氢元素在进入锆合金内部之前，首先会溶解在其表面的氧化层中。实验证明，氢的溶解度可以通过在氧化层中掺入其他元素进行控制，其溶解度随着掺入元素 为氧化层带来的电子数量而呈U型曲线变化。也就是说，有一类掺入元素可以将氢元素的渗透能力降至最低，阻止氢元素进入氧化层；

另一类掺入元素则可以最大化 地为氧化层带来电子，并促进氧化层释放出氢气。因此，为锆合金设计强大“屏障”的关键就是找到有效的掺入元素。

鉴于此，研究人员发现两种有效策略：一种是“守”，旨在使氢元素的渗透最小化，可通过掺入铬元素来达到这一目的；一种是“放”，旨在使已经渗入的氢元素最大化地被释放出来，可通过掺入铌来达到这一目的。这些掺入元素可以在制造锆合金时加入，融入锆合金表面的氧化层。

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·瓦斯教授评价说，氢的行为已被视为核反应堆在正常运行条件下最大的潜在挑战，而这项研究是从物理学角度理解氢在锆合金中行为的首次尝试。

不过研究人员强调，这两种策略或是能应用于多种合金的通用方法，它们有潜力在多种重要领域提高合金材料的寿命。

文章链接：

Doping in the Valley of Hydrogen Solubility: A Route to Designing Hydrogen-Resistant Zirconium Alloys

资源链接：

MIT电化学界面实验室

（本文来源：科技日报）

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