Металлические сверхпрочные сплавы способны поддерживать энергию ядерного синтеза - новый проект

В конце 2022 года физики-ядерщики из Национальной лаборатории Лоуренса Ливермора объявили о первом в истории эксперименте по получению чистой энергии ядерного синтеза. Это научное открытие является важной вехой на пути к термоядерному синтезу, который может обеспечить дешевой и экологичной энергией миллионы домов и предприятий. Однако для того, чтобы воплотить это достижение в жизнь, необходимы инновационные технологии, способные создать индустрию, работающую на термоядерной энергии.

Исследование является огромным прорывом на пути к термоядерному синтезу, который может обеспечить дешевой и экологичной энергией миллионы домов и предприятий. Kstar plasma. Journal Intereting Engineering. PNNL

Ученые из Virginia Polytechnic Institute and State University и Pacific Northwest National Laboratory работают над тем, чтобы воплотить эту идею в реальность благодаря своим усилиям в области исследования материалов.

В своей недавней работе, опубликованной в журнале Scientific Reports, авторы остановились на сплавах вольфрама. Они рассказали, что этот металл может быть улучшен для использования в передовых реакторах ядерного синтеза путем частичной имитации структуры морской раковины.

Руководитель проекта Джейкоб Хааг, сказал, что это первое исследование подобного рода. Ученые впервые изучили структуры материалов в столь малых масштабах. В результате эксперимента удалось обнаружить некоторые фундаментальные механизмы, определяющие прочность и долговечность таких материалов.

Устойчивость к высоким температурам

Известно, что температура в солнечном ядре составляет около 15 миллионов градусов по Кельвину, при этом источником тепла является термоядерный синтез. Но прежде, чем ученые смогут использовать эту энергию и превратить ее в электричество, необходимо разработать современные термоядерные реакторы, способные выдерживать высокие температуры и очень высокий уровень ионизирующего излучения, возникающие в процессе термоядерных реакций.

Читайте также: Тропоэластин: Найден способ полностью восстановить сердце после инфаркта.

Вольфрам самый тугоплавкий металл среди всех элементов, известных на планете Земля. Поэтому это наиболее оптимальный материал для реакторов ядерного синтеза. Однако в определенных условиях этот металл может быть довольно хрупким. Чтобы решить эту проблему, его необходимо "смешивать" с другими металлами. Например, добавляя к вольфраму, железо и никель, можно получить более прочный и эластичный материл, который будет сохранять свои тугоплавкие свойства.  

Характеристики вольфрамовых сплавов также могут быть улучшены путем термомеханической обработки металла, что приведет к повышению вязкости и прочности материала на разрыв.

С помощью особого метода горячего проката были получены вольфрамовые сплавы с микроструктурой, напоминающей перламутр, содержащийся в морских раковинах. Такой материал ценится за удивительные радужные цвета и невероятную прочность. Тяжелые сплавы вольфрама, напоминающие перламутр, были изучены исследовательскими группами PNNL и Virginia Tech на предмет потенциального применения в ядерном синтезе.

Результаты нового исследования показали, как можно улучшить свойства металлического вольфрама для использования в передовых реакторах ядерного синтеза, скопировав структуру обычной морской раковины. Metal alloys may support nuclear fusion energynacre shell. Nacre shell. Journal Intereting Engineeri. NNehring/iStock

Ученые рассказали: "Нам было важно понять, почему такие материалы обладают невиданными механическими характеристиками среди металлов и сплавов".

Изучение прочности металлических сплавов

Для изучения микроструктуры сплавов Хааг и его команда воспользовались такими передовыми методами, как Scanning Transmission Electron Microscopy. Кроме этого, ученые составили карту наномасштабного материала, сочетая атомную зондовую томографию и энергодисперсионную рентгеновскую спектроскопию.

Микроструктура сверхпрочного вольфрамового сплава состоит из двух отдельных фаз, подобные тем которые находятся в перламутре морских раковин: "твердой" фазы, являющейся практически чистым вольфрамом, и "вязкой", состоящей из комбинации никеля, железа и вольфрама. В результате исследования удалось обнаружить прочную связь между обеими фазами, что говорит о высокой прочности новых вольфрамовых сплавов.

Читайте также: Астрономы опубликовали гигантскую карту Млечного Пути с 3,32 миллиардами небесных объектов.

По утверждению Вахью Сетявана, научного сотрудника PNNL и соавтора исследования, "Обе фазы в совокупности образуют прочный композит, но они же являются серьезными препятствиями при изготовлении высококачественных образцов, а также при определении их характеристик. Однако благодаря великолепной работе членов нашей команды нам удалось определить точную структуру межфазных границ и химическую дифференциацию по этим границам.

Работа показывает, как сильное взаимодействие в вольфрамовых сплавах влияет на структуру кристаллов, геометрию и химию. В работе также показаны пути улучшения дизайна и характеристик материалов для термоядерных приложений. По словам ученых, для использования этих двухфазных сплавов в ядерных реакторах необходимо оптимизировать их надежность и долговечность.

Разработка материалов нового поколения для ядерного синтеза

Результаты этого исследования уже получили широкое распространение в многочисленных экспериментах PNNL и всего научного сообщества. В настоящее время специалисты PNNL проводят многомасштабное моделирование материалов, направленное на оптимизацию структуры и проверку прочности материалов с разнородными интерфейсами. Кроме того, они изучают, характеристики этих материалов в условиях экстремальных температур и облучении в термоядерном реакторе. 

Сетиаван добавил, что работа команды над разработкой дешевой термоядерной энергии довольно увлекательна, к тому же Белый дом и частный бизнес проявляют огромный интерес к этому научному проекту. Ученые считают, что исследования, в рамках которых ведется разработка стабильных материалов необходимы для устойчивой работы термоядерных реакторов.

Это исследование также поддержали Министерство энергетики США (Department of Energy), Отдел наук о термоядерной энергии (Fusion Energy Sciences), Управление по науке ( Office of Science) и программа Graduate Student Research Office of Science.