Solidification cracking mechanism in 15Cr-15Ni Ti-stabilised fully austenitic stainless steel welds for nuclear core components

परमाणु रिएक्टर के हृदय के भीतर, जहाँ तापमान अत्यधिक ऊँचा होता है और विकिरण तीव्र होता है, ईंधन को थामे रखने वाला धातु का आवरण (क्लैडिंग) मानव निर्मित लगभग किसी भी अन्य चीज़ से अधिक मजबूत होना चाहिए। दशकों से, इंजीनियरों ने इस महत्वपूर्ण कार्य को करने के लिए एक विशिष्ट प्रकार के स्टेनलेस स्टील, जिसे अलॉय डी9 (Alloy D9) के रूप में जाना जाता है, पर भरोसा किया है। यह कठोर है, न्यूट्रॉन बमबारी के कारण होने वाली सूजन का प्रतिरोध करता है, और रिएक्टर को सुरक्षित रूप से चलते रहने में मदद करता है। हालाँकि, जैसे-जैसे वैज्ञानिक ऐसे रिएक्टरों के लिए प्रयास कर रहे हैं जो ईंधन को अधिक कुशलता से और लंबे समय तक जला सकें, उन्हें इस स्टील के एक बेहतर संस्करण की आवश्यकता थी। उन्होंने एक नया संस्करण विकसित किया, जिसे अलॉय डी9आई (Alloy D9I) कहा जाता है, जिसमें फास्फोरस और सिलिकॉन जैसे कुछ तत्वों की मात्रा थोड़ी अधिक है। ये तत्व विकिरण के कारण होने वाले नुकसान के लिए सूक्ष्म जाल (ट्रैप) के रूप में कार्य करते हैं, जिससे धातु अधिक समय तक टिक पाती है। लेकिन इसमें एक पेंच है: जबकि ये अतिरिक्त तत्व रिएक्टर के भीतर स्टील को अधिक मजबूत बनाते हैं, वे इसे बिना दरार के वेल्ड करना बहुत कठिन बना देते हैं। वेल्डिंग धातु के टुकड़ों को आपस में जोड़ने की प्रक्रिया है, और यदि नया स्टील ठंडा होते समय टूट जाता है, तो पूरा घटक रिएक्टर तक पहुँचने से पहले ही विफल हो सकता है।

चुनौती इस बात में निहित है कि जब धातु तरल से वापस ठोस में बदलती है तो वह कैसा व्यवहार करती है। जब पिघला हुआ स्टील ठंडा होता है, तो यह फ्रीजर में पानी की तरह एक साथ नहीं जमता। इसके बजाय, यह एक 'मशी' (mushy) अवस्था में जम जाता है जहाँ तरल के समुद्र में ठोस धातु के छोटे-छोटे द्वीप बनते हैं। यदि तरल इन द्वीपों के बीच फंस जाता है और उसमें अशुद्धियों की मात्रा बहुत अधिक होती है, तो यह बाकी धातु की तुलना में अधिक समय तक तरल रह सकता है। जैसे ही आसपास की ठोस धातु सिकुड़ती है और अलग होती है, ये तरल परतें तनाव को सहन नहीं कर पातीं, और धातु खुद को फाड़ लेती है। इसे सॉलिडिफिकेशन क्रैकिंग (solidification cracking) या जमने के दौरान दरार आना कहा जाता है। अलॉय डी9आई के लिए, शोधकर्ताओं को यह समझने की आवश्यकता थी कि यह फटना वास्तव में क्यों होता है और इसे कैसे रोका जाए, क्योंकि परमाणु कोर में एक छोटी सी दरार भी विनाशकारी हो सकती है।

भारत के इंदिरा गांधी परमाणु अनुसंधान केंद्र के वैज्ञानिकों की एक टीम ने इस पहेली को सुलझाने का बीड़ा उठाया। उन्होंने नए अलॉय डी9आई स्टील के दो अलग-अलग बैच लिए, जिनमें रासायनिक संतुलन थोड़ा भिन्न था, और उन्हें वेल्डिंग के तनाव की नकल करने के लिए डिज़ाइन किए गए एक कठोर परीक्षण के अधीन किया। उन्होंने 'वेरेस्ट्रेनट टेस्टर' (Varestraint tester) नामक एक मशीन का उपयोग किया, जो पिघले हुए वेल्ड बीड को तब तक मोड़ता है जब है वह अभी ठंडा हो रहा होता है, जिससे उसे खींचने के लिए मजबूर किया जाता है जैसा कि वास्तविक दुनिया के मरम्मत कार्य में होता है। विभिन्न मात्रा में खिंचाव (स्ट्रेच) लगाकर, वे सटीक रूप से माप सकते थे कि स्टील का प्रत्येक बैच कितनी आसानी से दरार पैदा करेगा। परिणाम स्पष्ट थे। दोनों नए बैच पुराने, मानक स्टील के मुकाबले दरारें पैदा करने के प्रति कहीं अधिक संवेदनशील थे। वास्तव में, नया स्टील बहुत कम तनाव स्तरों पर ही टूट गया, और जो दरारें बनीं वे काफी लंबी थीं। एक बैच विशेष रूप से असुरक्षित था, जिसने दूसरे की तुलना में विफल होने की बहुत अधिक प्रवृत्ति दिखाई, जबकि कागज़ पर दोनों बैच बहुत समान दिख रहे थे।

यह समझने के लिए कि एक बैच दूसरे की तुलना में इतना खराब क्यों विफल हुआ, शोधकर्ताओं ने धातु की सूक्ष्म संरचना का बारीकी से अध्ययन किया। उन्होंने पाया कि अंतर टाइटेनियम, कार्बन और नाइट्रोजन से जुड़े एक विशिष्ट अनुपात के कारण आया। अधिक असुरक्षित बैच में, यह अनुपात अधिक था, जिसके कारण टाइटेनियम ने ठंडा होने की प्रक्रिया के दौरान कार्बन और नाइट्रोजन के साथ जल्दी प्रतिक्रिया की। इस प्रारंभिक प्रतिक्रिया ने उन अंतरालों में शेष बचे तरल की रसायन विज्ञान को बदल दिया जो ठोस धातु के द्वीपों के बीच थे। एक संतुलित मिश्रण के बजाय, शेष तरल मोलिब्डेनम, सिलिकॉन, फास्फोरस और सल्फर जैसे अन्य तत्वों से भारी रूप से केंद्रित हो गया। ये तत्व जमने के बिंदु (freezing point) के लिए एक मंदक (depressant) की तरह कार्य करते हैं, जिससे अंतराल में मौजूद तरल सामान्य से बहुत कम तापमान तक जमने से रुक जाता है।

शोधकर्ताओं ने पाया कि जमने के दौरान तापमान की कुल सीमा सबसे अधिक मायने नहीं रखती थी, बल्कि तरल के इन छोटे पॉकेट की विशिष्ट रसायन विज्ञान महत्वपूर्ण थी। अधिक असुरक्षित बैच में, धातु के दानों (grains) के बीच फंसा तरल बहुत कम तापमान पर भी तरल बना रहा, जिससे एक लंबी, पतली और कमजोर परत बन गई जो ठंडा होने के खिंचाव वाले बलों को सहन नहीं कर सकी। जब धातु संकुचित होने की कोशिश करती है, तो ये तरल परतें बस ढह जाती हैं, जिससे दरारें धातु के दानों की सीमाओं के साथ बनती हैं। अध्ययन ने दिखाया कि टाइटेनियम के संतुलन में एक छोटा सा बदलाव भी इन अशुद्धियों के एकत्र होने के तरीके को नाटकीय रूप से बदल सकता है, जिससे एक प्रबंधनीय वेल्डिंग प्रक्रिया एक उच्च-जोखिम वाली प्रक्रिया में बदल जाती है। टीम ने परीक्षण किए गए टुकड़ों की टूटी हुई सतहों का विश्लेषण करके इसकी पुष्टि की, जहाँ उन्होंने स्पष्ट प्रमाण देखे कि ये तरल परतें धातु के फटने के क्षण तक मौजूद थीं।

यह कार्य उन इंजीनियरों के लिए एक स्पष्ट मार्गदर्शिका प्रदान करता है जिन्हें परमाणु रिएक्टरों में इस उन्नत स्टील का उपयोग करने की आवश्यकता है। यह प्रकट करता है कि विकिरण प्रतिरोध में सुधार के लिए केवल तत्वों को जोड़ना ही पर्याप्त नहीं है; धातु को बिना विफल हुए वेल्ड करने योग्य सुनिश्चित करने के लिए उन तत्वों का संतुलन सटीक होना चाहिए। अध्ययन सुझाव देता है कि टाइटेनियम के अनुपात को कार्बन और नाइट्रोजन के साथ सावधानीपूर्वक नियंत्रित करके, और फास्फोरस एवं सिलिकॉन जैसी अशुद्धियों को सख्त सीमाओं के भीतर रखकर, दरार आने के जोखिम को कम किया जा सकता है। निष्कर्ष एक पूर्ण समाधान का वादा नहीं करते हैं, लेकिन वे विफलता के पीछे के तंत्र की एक महत्वपूर्ण समझ प्रदान करते हैं। यह जानकर कि तरल परतें कैसे बनती हैं और वे क्यों बनी रहती हैं, निर्माता अपने 'रेसिपी' को समायोजित कर सकते हैं ताकि एक ऐसा स्टील बनाया जा सके जो विकिरण-प्रतिरोधी और वेल्ड करने योग्य दोनों हो, जिससे यह सुनिश्चित हो सके कि अगली पीढ़ी के परमाणु रिएक्टरों का निर्माण सुरक्षित और कुशलता से किया जा सके।