Новый класс высокотехнологичных сталей требует дополнительной доработки перед использованием в компонентах термоядерных реакторов — более устойчивой альтернативы традиционному ядерному делению. Специальный сплав, известный как «сталь с пониженной активацией ферритного/мартенситного типа» (RAFM), содержит миллиарды наночастиц карбида титана, предназначенных для поглощения радиации и улавливания гелия, образующегося в процессе термоядерного синтеза.
При воздействии радиации и концентраций гелия, характерных для термоядерных реакций, наночастицы карбида титана сначала эффективно улавливали гелий, но затем растворялись при высоких уровнях повреждений. После растворения сплав начинал разбухать, теряя способность удерживать гелий, что потенциально может привести к повреждению компонентов реактора. Это первое в своем роде систематическое исследование, проведенное инженерами Мичиганского университета, было опубликовано в журналах Acta Materialia и Journal of Nuclear Materials в виде серии из трех статей.
«Эти результаты представляют одни из самых точных данных о радиационной стойкости сталей для термоядерных реакторов и будут направлять разработку новых сплавов и уточнение моделей радиационного воздействия на годы вперед», — сказал Кевин Филд, профессор ядерной инженерии и радиологических наук, старший автор исследований.
На сегодняшний день крупномасштабные термоядерные системы были продемонстрированы лишь в нескольких передовых лабораториях мира, включая Ливерморскую национальную лабораторию в Калифорнии.
Хотя термоядерная энергетика вызывает большой интерес, технология пока не готова для коммерческого использования. В США работают более 90 реакторов деления, обеспечивая стабильный источник безуглеродной энергии. Однако ученые рассматривают термоядерный синтез как более устойчивую альтернативу. В отличие от деления, которое требует урана, синтез может использовать изотопы водорода, добываемые из морской воды. Термоядерная энергия также безопаснее: она производит гелий и короткоживущие радиоактивные отходы, которые легче утилизировать. Кроме того, при аварии реакция просто прекращается без риска ядерного расплавления. Главная сложность — достижение температуры в 100 миллионов градусов Цельсия (в 7 раз горячее поверхности Солнца) в ядре реакции, а также нагрев компонентов из стали RAFM до 600 °C.
До сих пор большинство экспериментов проверяли устойчивость материалов либо к радиации, либо к гелию по отдельности. В новом исследовании ученые использовали ускоритель частиц, одновременно облучая образцы стали железным ионным пучком (вызывающим радиационные повреждения) и гелиевым пучком, что точнее имитирует условия термоядерного синтеза.
Исследователи варьировали уровни радиации (от 1 до 100 смещений на атом), концентрации гелия (от 10 до 25 атомных частей на миллион) и температуры (от 300 до 600 °C), чтобы лучше понять поведение материала.
«Такой уровень контроля и детализации значительно приближает нас к моделированию реальных условий реактора. Это критически важно для поиска и оптимизации материалов, которые сделают возможным использование термоядерной энергии», — отметила Т.М. Келси Грин, ведущий автор исследований.
Команда тестировала новый тип железо-хромовой стали (Fe-9Cr) под названием CNA9, разработанный в Национальной лаборатории Ок-Ридж. Этот сплав содержит высокую плотность наночастиц карбида титана.
После облучения образцы изучали с помощью электронной микроскопии. Оказалось, что частицы карбида титана улавливали гелий в виде пузырьков на поверхности, но при высоких уровнях радиации (50–100 смещений на атом) растворялись, вызывая расширение сплава на 2%.
Ученые предлагают увеличить плотность наночастиц в 1000 раз и провести дополнительные испытания, чтобы улучшить стабильность материала.
Кевин Филд и Итан Полселли, аспирант кафедры ядерной инженерии, работают в Мичиганской лаборатории ионных пучков, где проводились испытанияMichigan Engineering