Polscy naukowcy modyfikują stal za pomocą plazmy

Data dodania: poniedziałek, 2011.07.04, autor: nuclear.pl

Za pomocą impulsów gorącej plazmy naukowcy z Instytutu Problemów Jądrowych w Świerku modyfikują właściwości stali. W rezultacie powstaje materiał o podwyższonej odporności na reakcje utleniania, który będzie można wykorzystać przy budowie reaktorów termojądrowych.

Jak informuje rzecznik IPJ dr Marek Pawłowski w przesłanym PAP komunikacie, intensywne wyładowanie plazmowe, trwające zaledwie ułamek sekundy, przetapia powierzchnię stali i jednocześnie wprowadza do niej atomy ceru i lantanu.

Efektem zabiegu, opracowanego w wyniku współpracy Instytutu Problemów Jądrowych w Świerku oraz Instytutu Chemii i Techniki Jądrowej, jest materiał o podwyższonej odporności na utlenianie w wysokiej temperaturze.

- Nasza metoda modyfikacji powierzchni stali za pomocą impulsów plazmowych to rozwiązanie unikalne w skali świata - mówi dr inż. Bożena Sartowska z IChTJ.

W przyszłości stal modyfikowana impulsami plazmowymi prawdopodobnie znajdzie zastosowanie przy budowie jądrowych reaktorów wysokotemperaturowych oraz reaktorów termojądrowych. Elementy tych urządzeń muszą pracować w atmosferze powietrza w temperaturze 750-800 st. Celsjusza - tak wysokiej, że typowe stale tracą swe właściwości i ulegają degradacji.

Prace nad plazmowym modyfikowaniem powierzchni zainicjował zmarły w ubiegłym roku prof. Jerzy Piekoszewski (IPJ, IChTJ) i dr Bożena Sartowska. W badaniach wykorzystywane jest prętowe działo plazmowe IBIS, zbudowane w IPJ w latach 90.

- Urządzenie generuje plazmę o zadanym składzie chemicznym, bardzo gorącą. Jej temperatura może sięgać nawet 100 mln stopni, czyli wartości większych od tych, przy których zachodzą reakcje termojądrowe na Słońcu - wyjaśnia dr Cezary Pochrybniak z Zakładu Fizyki Plazmy i Inżynierii Materiałów IPJ.

Jak tłumaczy rzecznik IPJ, głównym elementem działa IBIS są dwa koncentryczne wieńce elektrod. W obszar między nimi naukowcy wprowadzają gaz roboczy. Gdy jego gęstość staje się odpowiednio duża, do elektrod jest przykładany impuls wysokiego napięcia, co skutkuje wyładowaniem elektrycznym w obszarze międzyelektrodowym. Powstaje plazma, przez włókna której płynie gigantyczny prąd.

Wskutek działania sił magnetohydrodynamicznych dochodzi do kompresji i wytworzenia "zgęstka plazmowego" o bardzo wysokiej temperaturze. "Zgęstek" ten rozpada się po ok. 200 nanosekundach. Strumień cząstek wyrzucanych po rozpadzie plazmy ma energię wystarczającą do przetopienia warstwy powierzchniowej mikrometrowej grubości.

Jeśli stal ma w istotny sposób zmienić swoje właściwości, np. zyskać większą odporność na utlenianie w wysokiej temperaturze, oddziałująca z powierzchnią plazma musi zawierać takie pierwiastki jak cer i lantan. W trakcie procesu jony pierwiastków znajdujących się w plazmie wnikają do przetopionej warstwy metalu. Gdy impuls ustaje, stopiony materiał krystalizuje i powstaje warstwa domieszkowana wybranymi metalami.

- W przeciwieństwie do innych procesów, nasza metoda umożliwia wytworzenie warstwy powierzchniowej doskonale związanej z rodzimym podłożem. Bardzo często struktura krystaliczna tej warstwy odpowiada strukturze podłoża - podkreśla dr inż. Marek Barlak z IPJ.

Instytut Problemów Jądrowych w Świerku wykorzystuje działo plazmowe IBIS do wielu celów, m.in. do modyfikowania folii tytanowych palladem lub platyną.

- Badania nad plazmowym modyfikowaniem powierzchni materiałów będą rozwijane w Świerku dzięki nowym laboratoriom, których tworzenie przy wsparciu funduszy unijnych rozpocznie się zapewne już w drugiej połowie roku. Komercjalizacja technologii opracowanej przez naukowców z IPJ i IChTJ będzie możliwa m.in. w Parku Naukowo-Technologicznym powstającym na terenie ośrodka - zapowiada rzecznik IPJ.

PAP - Nauka w Polsce