Phase field modelling of microstructure transformations in Zr-Sn alloy during irradiation

في قلب المفاعل النووي، تواجه المواد التي تمسك قضبان الوقود معاً هجوماً لا يهدأ. هذه المواد، المصنوعة غالباً من سبائك الزركونيوم والقصدير، يجب أن تتحمل حرارة شديدة وقصفاً مستمراً من الجسيمات عالية الطاقة دون أن تنهار. بمرور الوقت، يعيد هذا القصف ترتيب الذرات داخل المعدن، مما يخلق عيوباً صغيرة ويؤدي إلى تغيير البنية الداخلية للمادة. يمكن لهذه التحولات المجهرية أن تحدد ما إذا كان مكون المفاعل سيظل قوياً ومقاوماً للتآكل أو سيصبح هشاً وعرضة للفشل. لطالما عرف العلماء أن الحرارة والإشعاع يعملان معاً لتحريك الذرات، لكن "الرقصة" المحددة لكيفية تفاعل ذرات القصدير والفراغات داخل الشبكة المعدنية لتشكيل هياكل جديدة وصغيرة ظلت صعبة الرؤية.

للحصول على صورة أوضح لهذا العالم الخفي، بنى الباحثون نموذجاً حاسوبياً مفصلاً يحاكي سلوك سبيكة من الزركونيوم والقصدير تحت ظروف المفاعل. وبدلاً من محاولة مراقبة هذه التغييرات مباشرة في مفاعل حقيقي — وهي عملية صعبة للغاية وبطيئة — أنشأوا كتلة افتراضية ثلاثية الأبعاد من السبيكة. في هذه البيئة الرقمية، استطاعوا مراقبة كيفية تحرك الذرات وإعادة ترتيب نفسها بمرور الوقت، أولاً تحت تأثير التسخين العادي ثم تحت الضغط الشديد للإشعاع المحاكى. كان الهدف هو تتبع تشكل جزر صغيرة غنية بالقصدير داخل المعدن، تُعرف باسم "جسيمات الطور الثانوي"، ورؤية كيف تنمو هذه الجزر أو تتقلص أو تختفي عندما تُضرب بالنيوترونات.

تبدأ القصة بالسبيكة في حالة هدوء. بدأ الباحثون بمحاكاة عملية معالجة حرارية، وهي أساساً "خبز" المعدن الافتراضي عند درجة حرارة ثابتة تبلغ 550 كلفن. في هذه البيئة الهادئة، بدأت ذرات القصدير، التي كانت موزعة بانتظام في البداية، في التكتل معاً. وبدافع من الميل الطبيعي للذرات للبحث عن ترتيبات مستقرة، شكلت نطاقات متميزة غنية بالقصدير. نمت هذه النطاقات لتصبح أكبر بمرور الوقت، حيث امتصت القصدير من المعدن المحيط بها حتى وصلت إلى حجم مستقر يبلغ حوالي 32 نانومتراً. خلال هذه العملية، تحركت أيضاً الفراغات الموجودة في البنية الذرية، والتي تُسمى "الفجوات". وقد نزعت هذه الفجوات للتجمع عند حدود هذه الجزر الجديدة الغنية بالقصدير، حيث التصقت بذرات القصدير مثل المغناطيس. بعد حوالي 560 ساعة من الوقت المحاكى، استقر النظام في نمط مستقر، حيث يشكل حوالي 16 بالمائة من المادة هذه الجزر الغنية بالقصدير. كانت هذه الحالة الأولية بمثابة خط الأساس، أي لقطة لما تبدو عليه السبيكة قبل أن يبدأ المفاعل في العمل.

بعد ذلك، أدخل الباحثون فوضى الإشعاع. فقد أخضعوا السبيكة المستقرة والمحاكة لتدفق مستمر من الإشعاع، محاكيةً الظروف داخل المفاعل النووي. وكشفت النتائج عن تحول دراماتيكي ومتعدد المراحل. في المرحلة الأولى، ومع بدء تراكم جرعة الإشعاع، بدأت الجزر الكبيرة والمستقرة الغنية بالقصدير التي تشكلت أثناء المعالجة الحرارية في الذوبان. لقد تسبب الإشعاع في خلخلة الذرات، مما أدى إلى تفكيك الهياكل المنظمة وتشتيت القصدير مرة أخرى في المعدن المحيط. ومع تقلص هذه الجزر، انخفض متوسط حجم الجسيمات، وانخفض إجمالي كمية المادة الغنية بالقصدير في السبيكة.

ومع ذلك، لم تنتهِ القصة بمجرد الدمار. فمع استمرار تراكم جرعة الإشعاع، ظهرت ظاهرة جديدة. فبينما كانت الجزر الكبيرة الأصلية تستمر في التقلص، بدأت موجة جديدة من الجسيمات الصغيرة الغنية بالقصدير في الظهور من العدم. كانت هذه الجسيمات الجديدة أصغر بكثير من الجزر الأصلية. ووجد الباحثون أن هذا حدث لأن الإشعاع خلق فيضاً من الفجوات الجديدة — وهي أماكن فارغة في الشبكة الذرية. هذه الفجوات، التي أصبحت الآن أكثر عدداً بكثير مما كانت عليه في حالة التسخين الهادئة، بدأت في التكتل معاً. ولأن ذرات القصدير لديها تجاذب قوي لهذه الفجوات، تجمعت ذرات القصدير حول هذه التكتلات، مشكلةً جزرًا جديدة وصغيرة من المادة الغنية بالقصدير. أدى هذا إلى بنية مجهرية معقدة حيث كانت الجزر القديمة الكبيرة تختفي بينما تولد مجموعة من الجزر المجهرية الجديدة.

ومع زيادة جرعة الإشعاع أكثر، لتصل إلى مستويات تتراوح بين 3 إلى 5 وحدات من الضرر، تغير ميزان القوى مرة أخرى. بدأت الجسيمات الصغيرة المتشكلة حديثاً في النمو؛ حيث امتصت المزيد من القصدير وتوسعت، لتصل في النهاية إلى متوسط حجم يبلغ حوالي 12 نانومتراً. في هذه المرحلة، تغير توزيع أحجام الجسيمات من مزيج من الأحجام الكبيرة والصغيرة إلى مجموعة أكثر تجانساً من الجسيمات متوسطة الحجم. لاحظ الباحثون أن الفجوات، التي كانت في البداية هي السبب في تشتيت الجسيمات الأصلية، أصبحت الآن هي الوكيلة التي تساعد في بناء الجسيمات الجديدة. لقد عملت الفجوات كـ "بذور"، حيث جمعت ذرات القصدير لتشكيل هذه الهياكل الجديدة، التي نمت مع استمرار الإشعاع.

طوال هذه العملية، تتبع الباحثون الخصائص الإحصائية لهذه الجسيمات، مثل حجمها وكيفية توزيعها. ووجدوا أن المعالجة الحرارية الأولية أنتجت توزيعاً يتبع نمطاً يمكن التنبؤ به، لكن الإشعاع أحدث حالة من الفوضى في هذا النظام، مما خلق مزيجاً من الأحجام قبل أن يستقر في النهاية في نمط جديد ومختلف. والنتيجة الرئيسية هي أن الإشعاع لا يدمر بنية المادة فحسب، بل يعيد تنظيمها بنشاط؛ فهو يفكك الهياكل الموجودة ثم يستخدم العيوب التي يخلقها لبناء هياكل جديدة. ذرات القصدير، التي كانت يوماً جزءاً من جزر كبيرة ومستقرة، تم تفكيكها ثم إعادة تجميعها في بحر من الجسيمات الأصغر الناتجة عن الإشعاع.

توفر هذه المحاكاة رؤية واضحة لعملية تكون في غير حالات أخرى غير مرئية. إنها تظهر أن استقرار سبائك الزركونيوم في المفاعل ليس حالة ثابتة، بل هو معركة ديناميكية بين قوى الحرارة، التي تحاول تنظيم الذرات، وقوى الإشعاع، التي تعمل باستمرار على تعطيلها وإعادة بنائها. وتؤكد الدراسة أن التفاعل بين ذرات القصدير والفجوات هو الآلية المركزية التي تقود هذه التغييرات. فلولا هذا التجاذب المحدد، لكان الإشعاع قد اكتفى ببساطة بإذابة الجزر الغنية بالقصدير دون إنشاء الجزر الجديدة. ويشير هذا العمل إلى أن السلوك طويل الأمد لهذه السبائك يعتمد بشكل كبير على كيفية تفاعل هذه العيوب الصغيرة والذرات بمرور الوقت. ومن خلال فهم هذه الآليات، يمكن للعلماء التنبؤ بشكل أفضل بكيفية تقادم مواد المفاعلات، وربما تصميم سبائك أكثر مقاومة للآثار الضارة للإشعاع، مما يضمن سلامة واستدامة أنظمة الطاقة النووية.