Фокус на энергетическую устойчивость и конкурентоспособность растёт, и разработка передовых материалов для коммерческих термоядерных реакторов нового поколения привлекает всё больше внимания. В недавней статье, опубликованной в журнале Current Opinion in Solid State & Materials Science, рассматривается перспективный кандидат для этих реакторов: сверхвысокотемпературные керамики, или СВТК.
Исследователи из Национальной лаборатории Ок-Риджа Министерства энергетики США, Университета Теннесси в Ноксвилле и Университета Стоуни-Брук совместно работали над этим исследованием. Они подчёркивают уникальные качества СВТК и их потенциал в качестве компонентов, контактирующих с плазмой.
СВТК отличаются чрезвычайно высокими температурами плавления, что делает их отличными кандидатами для выдерживания условий внутри термоядерных реакторов. Они также обладают регулируемой способностью передавать тепло (теплопроводность) и впечатляющими механическими свойствами, включая прочность на разрушение, которая не уступает современным материалам-кандидатам для термоядерных реакций, таким как вольфрам.
Однако понимание того, как эти материалы реагируют при воздействии высокоэнергетической плазмы и интенсивного нейтронного излучения, имеет решающее значение для их эффективного использования в таких сложных условиях.
Yan-Ru Lin, учёный-материаловед в группе «Эффекты радиации и микроструктурный анализ» в Отделении материаловедения и технологий в Ок-Ридже, делится последними результатами исследований СВТК. Лин получил докторскую степень в области материаловедения и инженерии в Университете Теннесси в Ноксвилле и имеет степени в области ядерной инженерии в Национальном университете Цинь Хуа на Тайване. Его опыт сосредоточен на изучении эффектов радиационного повреждения в ядерных материалах.
В обсуждении рассматриваются ключевые вопросы о СВТК, включая их преимущества перед традиционными материалами, роль компонентов, контактирующих с плазмой, в термоядерной энергетике, проблемы их применения и критическое влияние нейтронного излучения на их характеристики. Кроме того, Лин делится перспективами текущих исследований, которые могут повысить возможности СВТК в термоядерных реакторах.
Компоненты, контактирующие с плазмой, — это материалы и конструкции, расположенные на внутренних стенках термоядерного реактора, непосредственно подвергающиеся воздействию большого количества тепловой энергии, передаваемой на поверхность за короткий промежуток времени (высокий тепловой поток), энергичной плазмы и интенсивного нейтронного облучения. Примечательно, что ни один существующий материал не может одновременно выдерживать все эти экстремальные условия в течение длительного времени.
СВТК обычно определяются как керамики с температурой плавления выше 3 000 градусов Цельсия. Верхний предел рабочей температуры ядерных конструкционных материалов тесно связан с их температурой плавления. Учитывая это ограничение, СВТК с высокими температурами плавления демонстрируют большой потенциал для значительного повышения верхнего температурного предела в приложениях термоядерных реакторов.
СВТК обладают исключительно высокими температурами плавления и демонстрируют значительную устойчивость к радиационному повреждению. Однако их использование в качестве материалов, контактирующих с плазмой, ограничено из-за отсутствия соответствующих радиационных данных для термоядерных реакций. Основные проблемы включают неопределённые эффекты нейтронного облучения и взаимодействия плазмы с материалами, контактирующими с плазмой, неизбежные компромиссы между теплопроводностью и прочностью, а также ожидаемые трудности в изготовлении и масштабировании для коммерческого использования.
Изучение влияния нейтронного облучения на СВТК необходимо для подтверждения их пригодности в качестве материалов, контактирующих с плазмой. Национальная лаборатория Ок-Риджа имеет большой опыт в исследованиях радиационных повреждений, обладая уникальными возможностями для проведения экспериментов по нейтронному облучению на Высокопоточном изотопном реакторе (исследовательская установка Министерства энергетики США) и для характеристики нейтронно-облучённых радиоактивных материалов в Лаборатории разработки и анализа материалов с низкой активацией.