Москва, 13 ноя — ИА Нефтегаз.РУ. Специалисты кафедры физических проблем материаловедения МИФИ разработали способ изготовления композитного материала для термоядерных реакторов будущего.
Об этом сообщила пресс-служба вуза.
Исследователи предложили метод соединения вольфрамовой сетки и стальной основы конструкции реактора в единый элемент.
Стенка термоядерного реактора представляет собой часть установки, в которой ученые стремятся воспроизвести реакции, протекающие в недрах Солнца. На эту поверхность воздействуют потоки раскаленной плазмы. По этой причине подбор оптимального материала, обращенного к плазме, остается одной из ключевых задач для создателей будущих электростанций.
Сейчас наиболее распространенным материалом для таких поверхностей считается вольфрам. Он обладает рекордно высокой температурой плавления — 3422 °C — и хорошей теплопроводностью.
Однако у твердого вольфрама имеется уязвимое место — срывы плазмы, при которых на отдельные участки стенки кратковременно действует очень большая энергия. В таком случае применяется идея жидкометаллической защиты: тонкий слой жидкого лития на участке стенки испаряется и формирует облако, экранирующее поверхность от теплового удара.
Для подъема лития на поверхность стенки используются капиллярно-пористые структуры (КПС). По сути, это вольфрамовая губка из спрессованных тонких проволочек. Жидкий металл по капиллярам поднимается из резервуара вверх, к плазме, и обновляется естественным путем, без насосов.
Проблема состоит в том, что такую губку необходимо надежно прикрепить к стальной основе — корпусу реактора. Эксперименты показали, что точечная сварка и зажимы не обеспечивают хорошего теплового контакта: структура перегревается, локально оплавляется и разрушается. Идеальным решением было бы сделать основу и пористую структуру единым целым, частично пропитав вольфрамовую губку расплавом металла, совместимого со стальной основой токамака.
Здесь возникают сложности. Сталь является традиционным конструкционным материалом токамаков, но при контакте с вольфрамом она образует хрупкий интерметаллид Fe7W6. Этот слой формируется на границе волокна и матрицы, а трещины, заполненные сталью, из-за разницы коэффициентов теплового расширения распространяются дальше.
Коллектив авторов кафедры физических проблем материаловедения МИФИ — Н. Попов, А. Сучков, М. Жарков и их коллеги — испытал два метода заполнения пористой вольфрамовой структуры расплавом: литье в медную изложницу и инфильтрацию погружением. Выяснилось, что в обоих случаях стальная матрица содержит интерметаллиды, а вольфрамовое волокно частично растворяется. Задачу защиты волокна от расплава стали решить не удалось: покрытия неизбежно растворяются, и интерметаллиды снова выделяются.
Выход подсказали существующие сплавы ВНЖ (вольфрам-никель-железо). В предыдущих работах было показано: если вместо стали использовать сплав с соотношением никеля и железа, близким к 2:1 (66 ат.% никеля и 34 ат.% железа), то вольфрам не образует хрупких интерметаллидов, а растворяется в пластичном твердом растворе.
Именно такой композит — WNi34Fe — удалось получить методом литья. В его структуре отсутствуют хрупкие интерметаллидные прослойки и трещины на границе фаз, несмотря на заметную разницу коэффициентов теплового расширения. При этом содержание вольфрама в таком композите достигает 42 об.% — значительно выше, чем в стальных аналогах (около 25 %).
Н. Попов отметил, что сплав Ni34Fe является оптимальным материалом матрицы композита. По его словам, в структуре нет хрупких прослоек и трещин, а содержание стойкого к высоким температурам вольфрама значительно выше, чем в стальных аналогах. Он также пояснил, что фактически создана промежуточная прослойка между стальным корпусом реактора и вольфрамовой структурой. Получился своеобразный бутерброд, который не будет перегреваться и разрушаться внутри реактора.
Работа, поддержанная грантом Российского научного фонда, показала, что создать единый монолитный блок вольфрамовая пористая структура — металлическую матрицу, которую можно напрямую присоединить к стальному корпусу реактора с каналами охлаждения, — принципиально возможно. Делать это лучше всего методом инфильтрации погружением, который позволяет контролировать температуру расплава, нагрев образца и время взаимодействия.
Ученым предстоит оптимизация параметров процесса, чтобы свести к минимуму растворение вольфрамового волокна и количество нежелательных фаз. Там, где сталь не справляется, на помощь приходит никель-железный сплав.
Токамак представляет собой установку для удержания плазмы магнитным полем. Первая стенка такого реактора воспринимает тепловые и нейтронные нагрузки, поэтому к ее материалам предъявляют повышенные требования по стойкости и теплопроводности.
Автор: А. Шевченко #термоядерный реактор #вольфрам #композит #мифи #сталь #никель #железо
Источник: neftegaz.ru