Учёные кафедры «Физические проблемы материаловедения» НИЯУ МИФИ разработали технологию получения композитного материала для термоядерных реакторов будущего. Об этом сообщили в пресс-службе НИЯУ МИФИ.
Учёные разработали метод интеграции вольфрамовой сетки и стальной основы в единый элемент для термоядерного реактора. Стенки таких установок испытывают воздействие потоков раскалённой плазмы, что делает выбор подходящего материала критически важным для конструкторов будущих электростанций.
На сегодняшний день вольфрам является наиболее популярным материалом для этих поверхностей благодаря его высокой температуре плавления (3422 °C) и отличной теплопроводности. Однако твёрдый вольфрам подвержен срывам плазмы, когда на отдельные участки стенки на короткое время обрушивается огромное количество энергии. Для решения этой проблемы была предложена концепция «жидкометаллической» защиты: покрытие стенки тонким слоем жидкого лития, который испаряется и создаёт экранирующее облако, предотвращающее тепловой удар.
Для обеспечения подъёма лития на поверхность стенки используются капиллярно-пористые структуры, представляющие собой вольфрамовую губку из спрессованных тонких проволочек. Жидкий металл поднимается по капиллярам из резервуара к плазме и обновляется естественным образом без применения насосов.
Однако возникает сложность в надёжном прикреплении этой «губки» к стальной основе реактора. Точечная сварка и зажимы не обеспечивают достаточного теплового контакта, что приводит к перегреву, локальному оплавлению и разрушению структуры. Оптимальным решением является интеграция основы и пористой структуры в единое целое путём пропитки вольфрамовой губки расплавом металла, совместимого со стальной основой.
Сотрудники кафедры физических проблем материаловедения НИЯУ МИФИ исследовали два метода заполнения пористой вольфрамовой структуры расплавом: литьё в медную изложницу и инфильтрацию погружением. Оба метода показали, что стальная матрица содержит интерметаллиды, а вольфрамовые волокна частично растворяются.
Существующие сплавы ВНЖ (вольфрам-никель-железо) предложили выход из этой ситуации. Ранее было установлено, что использование сплава с соотношением никеля и железа около 2:1 (66 атомных процентов никеля и 34 – железа) предотвращает образование хрупких интерметаллидов, и вольфрам растворяется в пластичном твёрдом растворе. Методом литья удалось получить композит WNi34Fe, в котором отсутствуют хрупкие интерметаллидные прослойки и трещины на границе фаз. Содержание вольфрама в этом композите составляет 42 объёмных процента, что значительно превышает его концентрацию в стальных аналогах (около 25%).
«Сплав Ni34Fe – оптимальный материал матрицы композита. В его структуре нет ни хрупких прослоек, ни трещин, а содержание стойкого к высоким температурам вольфрама значительно выше, чем в стальных аналогах. По сути, мы придумали промежуточную прослойку между стальным корпусом реактора и вольфрамовой структурой. Получилось что-то вроде бутерброда, который не будет перегреваться и разрушаться внутри реактора», – говорит инженер кафедры «Физические проблемы материаловедения» НИЯУ МИФИ Никита Попов.
Исследование, финансируемое Российским научным фондом, доказало: создание единого прочного соединения «вольфрамовая пористая структура – металлическая матрица», которое можно непосредственно прикрепить к стальному корпусу реактора с охлаждающими каналами, реально. Наиболее эффективным методом для этого является инфильтрация погружением, позволяющая точно регулировать температуру расплава, нагрев образца и время взаимодействия. Теперь предстоит оптимизировать параметры процесса, чтобы минимизировать растворение вольфрамового волокна и образование нежелательных фаз. Термоядерная энергия пока остается далекой перспективой, но каждый шаг в области материаловедения приближает момент, когда на Земле появится маленькое солнце.
Ядерные технологии развиваются не только в области материалов, но и в реакторостроении. Как рассказывала интернет-газета «ЖУК», в Димитровграде продолжается строительство МБИР – многоцелевого быстрого исследовательского реактора. Эксперты завершили испытания трёх тепловыделяющих сборок, предназначенных для реактора, – они прошли проверку и готовы к загрузке в активную зону.