Поскольку мир возлагает свои надежды на ядерный синтез, который позволит удовлетворить его энергетические потребности экологически чистым способом, ученым необходимо найти решения двух основных проблем. Одна из них - это чистый прирост энергии, когда реактор вырабатывает больше энергии, чем затрачивается. Несмотря на то, что в последнее время в этом направлении достигнут определенный прогресс, другое препятствие является более сложным.
Термоядерная реакция протекает при температурах, превышающих солнечные, но, по мере продолжения реакции, высвобождаются нейтроны с высокой кинетической энергией, которые вызывают радиационный ущерб, а также выделяют больше тепла. Контроль потока нейтронов мог бы помочь решить эту проблему.
Помимо того, что нейтроны из термоядерных реакторов обладают большей кинетической энергией, они проникают сквозь стенки вакуумного сосуда. В зависимости от материала, из которого изготовлен корпус, это взаимодействие может привести к образованию новых атомов гелия, которых может быть в сто раз больше, чем в реакторе деления.
Атомам гелия необходимо место для посадки, которое является местом с низкой энергией встраивания и обычно располагается на границах зерен металла, используемого в термоядерных реакторах. Атомы внутри металла выстраиваются упорядоченным образом, также известным как зерна. В некоторых областях атомы расположены неровно и имеют низкую энергию внедрения гелия, что приводит к скоплению атомов гелия.
Когда атомы гелия начинают собираться, они отталкиваются друг от друга, еще больше расширяя границы зерен. Со временем это отверстие на границе зерен превращается в трещину и нарушает вакуумную герметизацию корпуса реактора.
Нейтроны, выделяющиеся при термоядерной реакции, повреждают корпус и могут привести к образованию трещин через 6-12 месяцев. В целях противодействия таким нежелательным последствиям, исследователи из Массачусетского технологического института (MIT) обратились к наночастицам определенных керамических композиций для облицовки корпусов термоядерных реакторов, чтобы сделать их более прочными и увеличить срок их службы. Наночастицы помогают поглощать атомы гелия, образующиеся в ходе термоядерной реакции.
Исследовательская группа под руководством Джу Ли, профессора материаловедения и инженерии Массачусетского технологического института, нашла относительно простое решение этой проблемы. Поскольку долговечность корпуса реактора зависит от внедрения атомов гелия, исследователи использовали материалы с меньшей энергией внедрения, чем на границе зерен корпуса реактора.
Команда Ли исследовала около 50 000 соединений, прежде чем остановилась на 750 потенциальных кандидатах, которые могли бы сыграть эту роль, основываясь на их механической прочности, не вступающих в реакцию с металлом реактора, неспособности становиться радиоактивными при поглощении нейтронов и “свободном объеме”, доступном для внедрения атомов гелия.
Исходя из этих факторов, силикат железа был выбран в качестве материала для диспергирования вдоль внутренней стенки корпуса реактора, а затем имплантирован атомами гелия. С помощью рентгеноструктурных исследований и подсчета количества пузырьков гелия на корпусе реактора исследователи подтвердили, что силикат железа рассеивает скопления гелия вдали от границ зерен.
Исследователи подсчитали, что добавление всего одного процента силиката железа по объему уменьшило количество пузырьков гелия вдвое, а их диаметр - на 20 процентов. Исследователи также сделали порошки силиката железа совместимыми с 3D-принтерами, чтобы сделать корпуса термоядерных реакторов более прочными.
На данный момент исследователи MIT прошли путь от компьютерного изучения проблемы и поиска возможного решения до экспериментальных демонстраций, подтверждающих их подход. И они уже на пути к коммерческому производству компонентов. “Мы изготовили порошки, совместимые с существующими коммерческими 3D-принтерами, и предварительно заполненные гелиепоглощающей керамикой”, - говорится в сообщении исследователей. Поглощающие гелий наночастицы хорошо диспергированы и должны обеспечить достаточное поглощение гелия для защиты уязвимых границ зерен в конструкционных металлах стенок корпуса. Хотя они и подтверждают, что предстоит проделать еще большую научную и инженерную работу, тем не менее ими уже создана компания-стартап, готовая к 3D-печати конструкционных материалов, что может решить все проблемы, с которыми сталкивается вакуумный сосуд внутри термоядерного реактора.
Это исследование было проведено при поддержке Eni S.p.A. в рамках энергетической инициативы Массачусетского технологического института. Дополнительная поддержка была оказана стипендией Кваджонга; программой исследований и разработок, проводимой лабораторией Министерства энергетики США (DOE) в Национальной лаборатории Айдахо; Ливерморской национальной лабораторией Министерства энергетики США (Lawrence Livermore National Laboratory); и программой Creative Materials Discovery от Национального исследовательского фонда Кореи.
