Новый класс усовершенствованных сталей требует дополнительной доводки перед использованием в компонентах системы термоядерной энергетики — более устойчивой альтернативы реакции деления, при которой объединяются два лёгких атома, а не расщепляется 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 Journal of Nuclear Materials в серии из трёх статей.
Кевин Филд, профессор ядерной инженерии и радиационной науки в Мичиганском университете и старший автор исследований, сказал: «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».
Состояние дел
На данный момент крупномасштабные термоядерные системы были продемонстрированы лишь в нескольких передовых национальных лабораториях мира, включая Ливерморскую национальную лабораторию в Калифорнии. Хотя термоядерная энергетика вызвала большой интерес, технология ещё не готова для малых атомных электростанций.
В США в настоящее время работает 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, термоядерный синтез может работать 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 термоядерного синтеза выйдет из строя, реакция просто прекратится без риска ядерного расплавления.
Проблема
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 экологически чистого источника энергии.
Эксперименты с ионными пучками
До сих пор большинство экспериментов могли лишь 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 одного 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.
Т. М. Келси Грин, докторант по ядерной инженерии и радиационной науке в Мичиганском университете, нынешний старший инженер по материалам в Antares и ведущий автор трёх исследований, сказал: «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».
Исследуемый материал
Исследовательская группа испытала новый класс железо-хромовой стали (Fe-9Cr), называемой литейным наноструктурированным сплавом №9, или сокращённо CNA9, — новое поколение сплава RAFM, разработанного командой специалистов по материалам термоядерного синтеза в Национальной лаборатории Ок-Риджа, способного удерживать высокую плотность нанопреципитатов карбида титана.
После воздействия двойного ионного пучка образцы были тщательно изучены с помощью современной электронной микроскопии для характеристики наноразмерных преципитатов карбида титана и пузырьков гелия.
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.
Дальнейшее исследование показало, что преципитаты 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.
Филд сказал: «Результаты, полученные при высоких дозах радиации (>15 dpa), были неожиданными, поскольку мы ожидали, что при самых высоких оценённых температурах преципитаты карбида титана всё ещё будут стабильны, но, очевидно, это было не так».
Исследователи предлагают в дальнейшем скорректировать сталь, увеличив плотность нанопреципитатов 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.
Инженеры отмечают, что наблюдаемая в серии исследований предпочтительная связь между нанопреципитатами TiC и атомами гелия подчёркивает полезную роль TiC в недавно разработанных сталях CNA. Кроме того, растворение преципитатов TiC при высоких дозах облучения даёт ценные указания для будущих усилий по разработке, подчёркивая необходимость более стабильных преципитатов TiC в конструкции стали CNA.
Материалы были изучены в Лаборатории ионных пучков Мичигана и Центре материаловедения Мичигана, работа выполнена лабораторией NOME.
Предоставлено Инженерным колледжем Мичиганского университета.