Технологии
Вклад в энергетику будущего

Термоядерный синтез привлекает внимание ученых, и не только. Ведь термоядерная реакция — управляемая, то есть человек ее полностью контролирует. Это означает, что риск возникновения аварийных ситуаций будет сведен к минимуму. К тому же у термояда отсутствуют радиоактивные отходы. Почему же реализация этого проекта, если он так важен, растянулась на столь длительный срок?

Термоядерная энергия (fusion) — своего рода аналог более привычной и уже освоенной человечеством энергии распада (fission). В обоих случаях энергия производится под влиянием ядерной реакции, однако в реакторе термоядерном энергия образуется за счет слияния двух изотопов водорода: дейтерия и трития. В результате зарождается более тяжелое ядро атома гелия и одновременно выделяется большое количество энергии от испускающихся быстрых нейтронов. Данная энергия проявляется в виде увеличения температуры в системе, в которой осуществляется реакция.
 
Сегодня хорошо известны две концепции реализации термоядерного синтеза. Первая — магнитный термоядерный синтез — подразумевает использование сильных магнитных полей с целью контроля и удержания плазмы легких атомных ядер дейтерия и трития, которая заключена в торроидальную камеру (токамак). Пример магнитного синтеза — хорошо известный проект ITER, запуск которого запланирован к 2030 году. Вторая концепция — инерциальный термоядерный синтез, идея которого заключается в мгновенном сжатии мощнейшими лазерными лучами топливной таблетки, содержащей микрограммы дейтерия и трития. Счет времени идет на микросекунды, по истечении которых изотопы водорода нагреваются до 100 млн °C. Такой подход применяется, например, в Национальном фонде зажигания (Калифорния, США), работающем с 2009 года.
 
Температура плазмы при термоядерной реакции может достигать уровня, в 10 раз превышающего температуру в центре Солнца. Очевидно, что ни один материал на Земле не способен выдержать работу в подобном режиме. Поэтому в токамаке плазма удерживается сильнейшими магнитными полями. Однако, несмотря на это, материалы внутренних стенок реактора все же подвергаются температурным нагрузкам более 1 тыс. °C. Тепловая нагрузка на так называемый первый бланкет — непосредственную границу между плазмой и дивертором, в котором происходит накопление ядер гелия, — при этом в среднем составляет 10 – 15 МВт/м² (для сравнения: этого достаточно, чтобы вода в бассейне средних размеров глубиной два метра закипела за три минуты), а иногда достигает 1 ГВт / м². Таким образом, корректный выбор конструкционных материалов — один из ключевых с точки зрения безопасности этапов при старте термоядерной реакции и ее осуществлении.
 
В Далтоновском научном подразделении (Dalton Cumbrian Facility) Университета Манчестера группа материаловедов работает с самыми перспективными компонентами для термоядерного реактора: ванадием, вольфрамом, танталом, ODS-стали. Каждый из перечисленных тугоплавких металлов и их многокомпозитных сплавов имеет ряд преимуществ. Есть у них и недостатки, которые пока являются камнем преткновения в решении поставленных комплексных задач.
 
Сплавы на основе вольфрама считаются наиболее пригодными для работы в описанных экстремальных условиях благодаря уникальному сочетанию таких физических свойств, как значительная радиационная стойкость, существенная прочность при высокотемпературном режиме работы, а также хорошая теплопроводность. Однако чистый, не легированный добавками вольфрам при низкой температуре теряет пластичность и становится более хрупким. На практике это может привести к преждевременному выходу конструкционных элементов из строя, поэтому применение чистого вольфрама в промышленном масштабе сведено к минимуму. Один из вариантов решения проблемы — легирование вольфрама более пластичными металлами, например танталом. Оптимальными считаются вольфрамовые сплавы с добавлением 2,5 – 10 весовых процентов тантала (Ta2,5W, Ta5W, T10W); изучение их свойств расширит возможности материаловедения в вопросах конструкции термоядерного реактора.
 
Исследованию ряда бинарных сплавов вольфрама и тантала посвящен один из проектов Далтона: ученые изучают изменение микроструктуры образцов, их модификацию вплоть до нанодефектов. Такой анализ поможет понять влияние легирующего компонента на основной материал и облегчить прогнозирование динамики поведения этих сплавов при механической деформации, а также в условиях воздействия излучения.
 
Кандидатами на применение в термоядерном реакторе являются также дисперсно-упрочненные стали (Oxide-Dispersion Strengthened Steels, ODS). Это стали с включенными примесными наночастицами, необходимыми для улучшения механических функций базового металла. ODS отличаются высоким сопротивлением радиационной ползучести и прочностью при работе в условиях экстремальной температуры — до 750 °C.
 
Основной недостаток ODS-сталей связан с их изготовлением. Пока такие стали производятся путем механического легирования, которое предполагает смешивание металлических порошков в шаровой мельнице, последующее их горячее прессование, спекание и сваривание; на выходе получается плотный мелкозернистый продукт с высокой концентрацией наночастиц. Ученые Далтона ищут новые подходы к производству ODS-сталей, которые можно было бы применить на стадии горячей обработки для получения максимальной плотности, стабильности и оптимального распределения наночастиц в основном материале, что, соответственно, позволит достичь идеальных механических характеристик.
 
Стоит упомянуть еще об одном материале, обладающем подходящими для применения в термоядерном реакторе механико-физическими свойствами, — это сплав ванадия с титаном и хромом в количестве 4 весовых процента каждого элемента (V-4Cr-4Ti). Такой сплав отличается исключительной механической прочностью при экстремальных рабочих температурах. Основная проблема этого сплава, которая проявляется при работе в условиях высокой температуры, — зарождение наноосадков легирующего элемента титана при взаимодействии с атомами углерода, кислорода и азота. Механизм зарож­дения и природа этих осадков пока детально не изучены. Известно, что при температуре 700 °C уже наблюдается довольно высокая плотность накапливающихся включений, которая увеличивается при последующем нагревании образца, что приводит к существенному ухудшению механических характеристик сплава. Это мешает определению оптимального диапазона температур для работы со сплавом и предсказанию его структурной эффективности в течение всего срока службы реактора.
 
Параллельно все эти материалы исследуются под воздействием излучения, которое может сделать их поведение непредсказуемым. Эксперименты проводятся на 5-мегавольтном ускорителе частиц Tandem в Далтоновском ядерном центре. Ученые работают над созданием экспериментальной станции, которая позволит изучать радиационную ползучесть вышеуказанных металлических сплавов непосредственно во время их бомбардировки ионным пучком. Ведь именно ползучесть, вызванная радиацией, может резко снизить срок службы компонентов реактора. Для полного понимания того, как эти виды радиационных дефектов зарождаются и развиваются, исследования необходимо проводить в широком диапазоне температур, применяемых радиационных доз и прилагаемых нагрузок. Поэтому основные задачи, поставленные перед экспериментальной станцией, — мониторинг и контроль температуры металлического образца при дополнительном внешнем нагреве с целью достижения условий, приближенных к реальным, а также отслеживание в режиме онлайн энергии потока ионов, бомбардирующих мишень. При этом постоянно ведутся измерения, фиксируются все изменения в размерности изучаемого образца. Полученные результаты помогут пролить свет на микромеханику исследуемых материалов под влиянием облучения, что позволит предсказывать возможное развитие событий на реальных объектах.
 
Юлия ИПАТОВА
31.03.2015

Комментарии 0

Войдите или  зарегистрируйтесь, чтобы отправлять комментарии
Аналитика