Kohti kestävämpiä materiaaleja
25.5.2010
Professori Kai Nordlund tutkii atomitasolla materiaalien ominaisuuksia. Ennen kaikkea Nordlundia kiinnostaa, mitä materiaaleissa tapahtuu, kun niihin kohdistuu säteilyä. Näin voidaan selvittää, miten aineen ominaisuudet muuttuvat.
Helsingin yliopiston fysiikan laitoksen materiaalifysiikan osastolla työskentelevä Kai Nordlund tutkii laskennallisesti materiaalien säteilytystä. Kiihdytinlaboratorion laitteilla voi yhden yksittäisen atomin liike-energian kiihdyttää noin tuhat miljoonaa kertaa suuremmaksi kuin mitä energia normaalitilassa on. Näin voidaan tutkia, miten materiaalit käyttäytyvät. ”Tutkimme, mitä tapahtuu, kun nopeasti liikkuvat atomit törmäävät materiaaliin. Samaa menetelmää käytetään varsinkin puolijohdeteollisuudessa”, kertoo Nordlund. Jotta materiaalien säteilykestävyyttä voidaan tutkia, tarvitaan ymmärrystä atomitasolla. Säteilyvaurioita ei synny lainkaan, jollei atomeja kiihdytä tietyn, noin 10 elektronivolttia olevan, rajaenergian yli. Rajan yläpuolella säteilyvaurioita syntyy sitä enemmän mitä korkeampi energia on.
”Säteilyvaurioita syntyy sekä nykyisissä ydinreaktoreissa että tulevaisuuden fuusiovoimaloissa. On tärkeää ymmärtää, mitä säteilyvauriot ovat ja miten ne muuttavat aineen ominaisuuksia.”
Säteilyvaurioiden tietokonesimuloinneissa Nordlund tutkimusryhmineen on selkeästi maailman huippuluokkaa. Ryhmä, johon kuuluu noin 20 tutkijaa, kehittää koko ajan uusia menetelmiä ja malleja, joita sekä ryhmä itse ja että toiset tutkijat hyödyntävät. Perustutkimuksessa säteilyvaurioiden tietokonesimulointien tutkijoita on Nordlundin arvion mukaan maailmassa noin tuhat, soveltavassa tutkimuksessa pari tuhatta tutkijaa lisää.
Nordlundin tutkimustyötä olisi mahdotonta tehdä ilman huipputehokkaita supertietokoneita.”Säteilyvaurioiden simulointialalla on maailmassa yksi tutkimusryhmä Livermoren kansallisessa laboratoriossa USA:ssa, jolla on käytössään meihin verrattava tietokonekapasiteetti. Vaikka ryhmällä on käytössään maailman suurin tietokone, niin tietokoneen resursseja on jakamassa useammat tutkimusryhmät kuin Suomessa. Varsinainen läpimurto esimerkiksi kraatteritutkimuksessa tapahtui sen ansiosta, että CSC:n laskentaresurssit ovat niin tehokkaat.”
Miksi materiaalien säteilyvaurioita sitten tutkitaan? Selkeästi kaupallisesti merkittävin sovellutusalue on tietokonesiru. Kun tietokonesiruja tehdään, niiden sähköisiä ominaisuuksia muutetaan epäpuhtausatomeilla.
”Kaikkien nykyaikaisten tietokonesirujen toiminta perustuu epäpuhtausatomeihin, jotka säteilytetään sirun sisälle. Kiihdyttimellä ammutaan aineen sisään epäpuhtausatomeja, jotka antavat sirujen osille halutunlaiset sähköiset ominaisuudet. Seostettu siru johtaa sähköä paremmin kuin esimerkiksi puhdas pii”, selittää Nordlund.
Myös optoelektronisia eli valoa emittoivia materiaaleja voidaan valmistaa ja niiden toimintaa nopeuttaa säteilyttämällä. Optoelektroniikkaa käytetään muun muassa telekommunikaatiossa, jossa nopeus on oleellista. Säteilyvaurioilla voi nopeuttaa tietynlaisten pulssitettujen lasereiden pulssitaajuutta hyvin paljon, karkeasti tekijällä 10–100.
Fuusioenergian käyttö on haasteellista
Toinen puoli kolikosta ovat säteilyvaurioiden haittapuolet. Esimerkiksi ydinreaktorissa säteilyvauriot ovat lähes poikkeuksetta haitallisia, koska ne oleellisesti haurastuttavat metallia ja lopulta rikkovat sen.
”Ydinreaktorissa tämä ei luonnollisesti ole toivottavaa”, toteaa Nordlund. ”Hyvin tärkeää on ymmärtää, millaisia vauriot ovat ja miten ne kehittyvät ajan myötä, jotta niitä pystyisi välttämään. Nykyiset ydinreaktorit toimivat ihan luotettavasti, mutta uudentyyppisiä fuusio- ja fissioreaktoreita kehitettäessä on tärkeä tietää, mitä materiaaleja voidaan käyttää, jotta seinämateriaalit kestäisivät hiukkassäteilyä riittävän hyvin. Varsinkin fuusioreaktoreissa se on ihan kriittinen ongelma.”
Fuusio on kevyiden atomiydinten yhteen liittymistä: se vapauttaa suuret määrät energiaa ja on auringon ja muiden tähtien energianlähde. Fuusiota on yritetty valjastaa maan päällä energiantuotantoon sen turvallisuuden, tehokkuuden ja ympäristöystävällisyyden vuoksi, mutta toistaiseksi siinä ei ole onnistuttu. Fuusioreaktorin toteuttaminen on vaikeaa, koska fuusioreaktio vaatii hyvin korkean lämpötilan tai paineen.
”Tutkimme, mitä tapahtuu,
kun nopeasti liikkuvat atomit törmäävät materiaaliin”
|
”On mahdollista, että fuusioenergiaa ei saada koskaan toimimaan toivotulla tavalla, koska säteilyvauriot ovat liian suuria. Ja vaikka fuusioenergia periaatteessa toimisikin, komponentit kestäisivät niin lyhyen aikaa, että kaupallisessa mielessä niitä ei olisi järkevä käyttää”, Nordlund sanoo.
Miten materiaalit sitten kestävät ääriolosuhteita? Jos fuusio- tai fissioreaktorin tehoa halutaan kasvattaa, on korkeampien lämpötilojen käyttäminen välttämätöntä. Ongelma on siinä, että useimmat materiaalit eivät kestä korkeita kuumuuksia. Teräs on normaalisti hyvin kova ja kestävä materiaali, mutta kun sitä lämmittää tietyn lämpötilan yläpuolelle, joka teräksestä riippuen vaihtelee 300 celsiusasteesta 600–700 asteeseen, se alkaa pehmetä hyvin radikaalisti ja muuttuu käyttökelvottomaksi. Näin tapahtui, kun World Trade Centerin tornit sortuivat vuonna 2001: kuuma, palava polttoaine kuumensi teräksen pehmeäksi ja tornit sortuivat.
Plasma on ääriolosuhde
Plasma on aineen olomuoto, jossa atomit ovat menettäneet elektroneja eli ionisoituneet. Fuusioreaktori toimii plasmalla, joka on äärimmäisen kuumaa, jopa 100 miljoonaa astetta, eli kuumempaa kuin auringon sisus. Kuumuudesta huolimatta fuusioreaktorin seinän pitäisi pysyä muutamassa sadassa celsiusasteessa.
”Fuusioreaktorissa tapahtuu sekä säteilyä että kuumenemista: säteilyä tapahtuu koko ajan, mutta se pitää yrittää pitää mahdollisimman vähäisenä. Kuumenemista ei pitäisi tapahtua, mutta jos fuusioplasmassa tapahtuu jokin häiriö, niin vuotava kuumuus pääsee seinän kanssa kosketuksiin ja sulattaa seinää”, Nordlund selittää.
Kuumuuden kestäviä erikoismateriaaleja on ollut jo kauan kehitteillä. Esimerkiksi avaruussukkulan grafiittiset lämpötiilet kestävät kuumuutta ja johtavat lämpöä erittäin hyvin. Grafiitti on puhdasta hiiltä oleva mineraali. Avaruussukkulassa lämpötiilet toimivat, mutta fuusioreaktorissa ne eivät toimi riittävän hyvin.
Se, että grafiitti- ja hiilipohjaiset tiilet eivät kestä fuusioreaktorin kuumuutta, tiedettiin kokeiden perusteella jo 30 vuotta sitten.
”Kukaan ei ensin ymmärtänyt, mistä se johtuu. Yksinkertaisen matemaattisen teorian mukaan tiilten olisi pitänyt kestää säteilyä, mutta kokeet osoittivat koko ajan päinvastaista. Kymmenen vuotta sitten onnistuimme selittämään syyn: hiilipohjaisten materiaalien rikkoutumista reaktorin alaosassa ei voi välttää eikä hiilen eroosiota voi millään täysin pysäyttää. Hiiltä on tähän asti käytetty reaktorissa sen korkean sulamispisteen ja kevyen massan takia, mutta sen käytöstä tulisi luopua kokonaan ja korvata hiili toisella materiaalilla, esimerkiksi volframilla.”
Lue lisää Nordlundin tutkimuksesta
Teksti ja kuva: Tiina Raivo