Новый класс усовершенствованных сталей требует дополнительной доводки перед использованием в компонентах систем термоядерной энергетики — более устойчивой альтернативы делению, которая объединяет два лёгких атома, а не расщепляет один тяжёлый. Сплав, представляющий собой разновидность стали с пониженной активацией ферритного/мартенситного типа (RAFМ-сталь), содержит миллиарды наноразмерных частиц карбида титана, предназначенных для поглощения радиации и улавливания гелия, образующегося при термоядерной реакции в рамках одного компонента.
Воздействие радиации и концентрации гелия
При воздействии радиационных повреждений и концентраций гелия, характерных для термоядерной реакции, выделения карбида титана первоначально способствовали улавливанию гелия, но позже растворялись при высоких уровнях повреждений. После растворения сплав разбухал, поскольку больше не мог рассеивать и улавливать гелий, что могло поставить под угрозу компоненты системы термоядерной энергетики.
Исследование
Первое в своём роде систематическое исследование, проведённое инженерами Мичиганского университета, было опубликовано в Acta Materialia и в Journal of Nuclear Materials в серии из трёх статей.
«Эти результаты представляют собой одни из наиболее точных данных о радиационной стойкости сталей, имеющих отношение к термоядерному синтезу, и будут определять разработку сплавов и уточнение моделей радиационных эффектов в течение многих лет», — сказал Кевин Филд, профессор ядерной инженерии и радиационных наук в Мичиганском университете и старший автор исследований.
Состояние термоядерных систем
На данный момент крупномасштабные термоядерные системы были продемонстрированы лишь в нескольких передовых национальных лабораториях мира, включая Ливерморскую национальную лабораторию Лоуренса в Калифорнии. Хотя термоядерная энергетика и вызывает большой интерес, технология ещё не готова для малых атомных электростанций.
Перспективы термоядерной энергетики
В США в настоящее время эксплуатируются более 90 ядерных реакторов деления для обеспечения стабильного источника безуглеродной энергии, но исследователи рассматривают термоядерную энергетику как более устойчивую альтернативу. В то время как деление обычно опирается на ограниченные ресурсы урана, термоядерная реакция может осуществляться с использованием изотопов водорода, добываемых из таких обильных источников, как морская вода.
Термоядерная энергетика также обеспечивает повышенную безопасность, поскольку производит гелий и короткоживущие радиоактивные отходы, которые легче утилизировать, чем долгоживущие радиоактивные отходы от деления. Кроме того, если система термоядерной энергетики выйдет из строя, реакция просто прекратится без риска ядерного расплавления.
Недостатком является то, что системы термоядерной энергетики должны достигать 100 миллионов градусов Цельсия — намного жарче, чем на поверхности Солнца — в центре реакции и позволять другим компонентам, таким как те, что используют RAFM-сталь, достигать температуры до 600 °C.
Помимо радиации и экстремально высоких температур, нейтроны, генерируемые в результате термоядерной реакции, могут взаимодействовать с материалами и создавать в них гелий. В высоких концентрациях гелий может привести к тому, что материалы в системе разбухнут и деформируются. Разработка материала, способного выдерживать эти экстремальные условия, является важным шагом на пути к созданию потенциала для использования чистого источника энергии.
Эксперимент
До этого момента большинство экспериментов могли только тестировать устойчивость материала к радиации или гелию в изоляции. В более комплексном подходе исследователи использовали ускоритель частиц для одновременного бомбардирования стальных образцов одним пучком ионов железа — который вызывает радиационные повреждения — и одним пучком ионов гелия, более точно имитируя условия термоядерной энергии.
Исследователи могут точно регулировать уровни радиационных повреждений (от 1 до 100 смещений на атом, или dpa), концентрации гелия (от 10 до 25 атомных частей на миллион, произведённых на dpa) и температуры (от 300 до 600 °C), чтобы лучше понять дозозависимое поведение материалов.
«Уровень контроля и детализации в этих экспериментах значительно приближает нас к моделированию условий в реакторе. Эта возможность имеет важное значение, поскольку мы продвигаемся вперёд в открытии и оптимизации материалов для будущего развёртывания термоядерной энергетики», — сказала Т. М. Келси Грин, доктор наук в области ядерной инженерии и радиационных наук в Мичиганском университете, нынешний старший инженер по материалам в Antares и ведущий автор трёх исследований.
Исследовательская группа испытала новый класс железохромовой стали (Fe-9Cr), называемой литейным наноструктурированным сплавом № 9, или сокращённо CNA9, — новое поколение сплава RAFM, разработанного командой специалистов по термоядерным материалам в Национальной лаборатории Ок-Риджа, способного удерживать высокую плотность наночастиц карбида титана.
После воздействия двойного ионного пучка образцы были тщательно изучены с помощью современной электронной микроскопии для характеристики наночастиц карбида титана и пузырьков гелия на их поверхности. Частицы карбида титана улавливали гелий в виде пузырьков на своей поверхности, причём наиболее успешно это происходило при температуре около 500 °C. Несмотря на частичный успех, не захваченный гелий образовал пузырьки в основной стали, что привело к расширению сплава на 2% при самых высоких уровнях радиации.
Дальнейшие исследования показали, что выделения карбида титана проявляли некоторую стабильность при более высоких температурах (500–600 °C) и более низких уровнях радиации (менее 15 dpa), но полностью растворялись при более высоких уровнях повреждения (от 50 до 100 dpa) независимо от температуры. Результаты показывают, что текущая конструкция сплава снизит радиационную стойкость на ранних этапах эксплуатации термоядерного реактора.
«Результаты, полученные при высоких дозах радиации (>15 dpa), были неожиданными, поскольку мы ожидали, что при самых высоких оценённых температурах выделения карбида титана всё ещё будут стабильны, но, очевидно, это было не так», — сказал Филд.
В дальнейшем исследователи предлагают скорректировать сталь, увеличив плотность наночастиц карбида титана в 1000 раз, чтобы более эффективно предотвратить разбухание, и провести дополнительные испытания с ионным пучком при различных скоростях для более точного моделирования условий термоядерной энергии.
«Предпочтительное связывание между наночастицами карбида титана и атомами гелия, наблюдаемое в этой серии исследований, подчёркивает полезную роль карбида титана в недавно разработанных сталях CNA. Кроме того, растворение выделений карбида титана при высоких дозах облучения даёт ценные указания для будущих усилий по разработке, подчёркивая необходимость более стабильных выделений карбида титана в конструкции стали CNA», — сказал Ин Ян, научный сотрудник Национальной лаборатории Ок-Риджа и автор исследований.
Материалы были изучены в Лаборатории ионных пучков Мичигана и в Мичиганском центре материаловедения. Работа выполнена в лаборатории NOME.
Предоставлено Инженерным колледжем Мичиганского университета.