Российские ученые разработали новую технологию производства материалов для создания элементов термоядерных реакторов. Речь идет о компонентах, обращенных к плазме в энергетических установках. Они подвергаются мощному воздействию, поэтому они должны иметь очень высокие характеристики. С помощью 3D-печати специалисты получили композит из меди и вольфрама, который объединил в себе преимущества обоих металлов. По словам экспертов, поиск подходящих материалов — один из наиболее острых вопросов при разработке термоядерных установок, и их решение приближает эру термоядерной энергетики.
Материал для взаимодействия с плазмой
Специалисты НИТУ МИСИС вместе с коллегами из АО «НИИЭФА» предложили новую методику производства материалов для компонентов, обращенных к плазме в термоядерных реакторах. Эти детали подвергаются тяжелым нагрузкам, таким как высокая температура и воздействие изотопов водорода, поэтому к их свойствам предъявляют особые требования. Гибридная технология, в которой аддитивное производство (3D-печать) сочетается с классическими подходами, позволяет получать биметаллический композит из вольфрама и меди с улучшенными характеристиками. Он значительно превосходит возможности аналогов, которые применяются сегодня.
— Исследования и разработка новых методов для изготовления деталей из вольфрама обладает высокой практической значимостью. Технология селективного лазерного плавления (3D-печать металлом. — «Известия») — один из наиболее популярных и применяемых методов аддитивного производства металлических изделий из-за возможности синтеза деталей сложной формы с высокой разрешающей способностью. Производство изделий из вольфрама с помощью этого метода — сложная задача из-за высокой температуры плавления, образования дефектов несплавления, микротрещин и перегрева различных узлов в установках, — отметил заведующий лабораторией «Катализ и переработка углеводородов» университета МИСИС Станислав Чернышихин.
Термоядерный реактор — это установка, в которой энергию получают за счет самоподдерживающегося управляемого термоядерного синтеза. Он позволяет вырабатывать значительно больше энергии, чем реакция деления атомного ядра, которую используют в современной атомной энергетике.
Пока существуют только исследовательские реакторы такого типа. Однако работы по созданию первого экземпляра для практического использования ведутся во всем мире. Самый известный международный проект в этой области — ITER (Международный экспериментальный термоядерный реактор). Его строительство началось в 2010 году, а завершиться оно должно в 2035-м. Модернизированный термоядерный реактор Т-15МД для исследовательских целей работает в Курчатовском институте. Создание новых материалов для таких установок приближает эру термоядерной энергетики.
Вольфрам считается одним из основных материалов для компонентов, обращенных к плазме, за счет высокой температуры плавления и других важных характеристик. Однако его сложно механически обрабатывать из-за высокой твердости и хрупкости. Чтобы изготовить деталь из вольфрама, обычно применяют методы классической порошковой металлургии, но они не позволяют создавать сложнопрофильные изделия. Поэтому традиционный дизайн этих элементов представляет собой простую многослойную конструкцию. Аддитивное производство дает возможность послойно синтезировать изделие, в том числе с заданной пористой структурой, рассказали в МИСИС. Свойства таких компонентов могут быть адаптированы для конкретной задачи за счет изменения их геометрической структуры, пояснили специалисты.
Коллективу НИТУ МИСИС удалось с помощью лазерного синтеза получить относительную плотность сплошных образцов в 96,7%. Сначала для создания композита были изготовлены вольфрамовые пористые структуры методом селективного лазерного плавления. Затем в матрицы была добавлена медь при температурах до 1350°C. Изучив смачивание и кинетику пропитки вольфрамовых матриц медью, ученые установили оптимальные условия для этой операции.
Когда начнется применение термоядерного синтеза
Известно, что чистый вольфрам — хрупкий металл. При незначительных деформациях в материале появляются трещины. Однако механические испытания показали, что полученный композит оказался гораздо пластичнее — разрушение не наблюдалось при деформации в 35%. Это очень важно при производстве компонентов, обращенных к плазме.
— В дальнейшем мы планируем перейти к производству макетов компонентов, обращенных к плазме, и теплонагруженным циклическим испытаниям. При испытаниях будут моделироваться воздействия, приближенные к реальным эксплуатационным условиям в термоядерных установках, — сказал Станислав Чернышихин.
Выбор материала облицовки — один из наиболее острых вопросов при разработке термоядерных установок. Он должен выдерживать огромные потоки тепла и частиц, в реакторных условиях добавляется нейтронное повреждение, пояснил «Известиям» и.о. заведующего кафедры физики плазмы НИЯУ МИФИ Юрий Гаспарян.
— Обращенные к плазме элементы, как правило, создаются из нескольких материалов, что добавляет проблему их надежного соединения. Новая разработка МИСИС и НИИЭФА с помощью аддитивных технологий позволяет создать композитный материал из вольфрама и меди и дает возможность добиться преимуществ каждого из материалов и организовать особую внутреннюю структуру, — сказал он.
В дальнейшем предстоит еще большая работа по оптимизации технологии для уменьшения пористости материала и изучению функциональных свойств материала при тепловом и плазменном воздействии. После этого уже можно будет более точно говорить о перспективах этого решения, добавил ученый.
По мнению руководителя экспертно-аналитического управления по ТЭК Института энергетической стратегии Алексея Белогорьева, разработка решений для термоядерных реакторов необходима, однако их практическое применение возможно только на горизонте нескольких десятилетий.
— Созданием термоядерных реакторов занимаются все ведущие страны, нацеленные на освоение космоса, так как этот вид энергетики хорошо подходит для космических полетов. И если Россия хочет оставаться лидером в этой области, то нужно развивать технологию. Для гражданской энергетики необходимо, чтобы термоядерный синтез был экономически рентабелен. В прогнозах до 2050-го никто из экспертов его не учитывает, так как пока очень высока неопределенность, связанная с этим подходом, — отметил он.
В любом случае это очень важный источник низкоуглеродной энергии, так как он намного более эффективен, чем возобновляемые источники и атомная энергетика. Поэтому исследования необходимо продолжать, но пока они находятся на фундаментальной стадии, подчеркнул специалист.