Учёные изучают материалы для создания термоядерных реакторов
Учёные из института Tokyo Institute of Technology (TIT) в своём недавнем исследовании попытались ответить на вопрос, коррозируют ли два перспективных конструкционных материала при очень высоких температурах во время контакта с «жидкометаллическими топливными размножителями» в термоядерных реакторах? По результатам исследования они говорят, что конструкционные материалы для реактора с жидким размножителем имеют хорошую высокотемпературную совместимость. Из этих материалов предлагается сделать облицовку вокруг активной зоны реактора. Она должна поглощать и улавливать нейтроны с высокой энергией, которые образуется в плазме внутри реактора. Разработка новых конструкционных материалов является ключевым этапом для создания успешной конструкции термоядерного реактора.
Этой темой исследователи заинтересовались в связи с тем, что термоядерные реакторы могут стать крупным источником экологически чистой электроэнергии. В них при слиянии двух ядер выделяется огромное количество энергии. Она улавливается в виде тепла в «воспроизводящем бланкете (ВВ)». Он обычный выполнен в виде жидкого литиевого сплава, который окружает активную зону реактора. Полученное тепло используется для запуска турбины и выработки электроэнергии. BB несёт важную функцию воспроизводства термоядерного топлива – он создает замкнутый топливный цикл для бесконечной работы реакторов без истощения топлива.
Работа BB при высокой температуре (более 1173 К) довольно привлекательна в плане использования энергии для производства водорода из воды. Исследователи считают это многообещающей технологией для создания углеродно-нейтральных источников энергии. BB нагревается до высокой температуры за счёт поглощения энергии реакции синтеза в термоядерном реакторе. Однако при такой высокой температуре существует риск коррозии конструкционных материалов, которые контактируют с BB. Это угроза безопасности и надёжности таких реакторов. Поэтому требуются конструкционные материалы, которые химические совместимы с материалом ВВ при высоких температурах.
На сегодняшний день изучается лишь один тип ВВ — жидкометаллический. Перспективным кандидатом на эту роль является жидкий сплав лития-свинца (LiPb). В качестве конструкционных материалов, совместимых с LiPb при высокой температуре, исследуются соединение из карбида кремния (SiC), CVD-SiC и сплав железо-хром-алюминий (FeCrAl), предварительно окисленный на воздухе. Данные о совместимости этих конструкционных материалов при температуре более 973 К до недавнего времени отсутствовала.
Теперь группе учёных из TIT под руководством профессора Масатоси Кондо удалось продемонстрировать совместимость конструкционных материалов на значительно более высоких температурах. Результаты своей работы они опубликовали в Corrosion Science. Они пишут, что в результате исследования удалось прояснить нюансы механизма коррозионной стойкости сплавов CVD-SiC и FeCrAl в жидком LiPb до 1173 K.
Специалисты впервые синтезировали LiPb высокой чистоты путем плавления и смешивания гранул Li и Pb в аппарате в условиях вакуума. После этого сплав нагревался до вышеупомянутой температуры, при которой он превращался в жидкость. Они помещали в эту жидкость образцы CVD-SiC и два варианта сплава FeCrAl — с предварительным окислением и без него для формирования поверхностного слоя α-Al2O3. С целью коррозионных испытаний образцы держали в жидком LiPb 250 часов. Профессор Кондо отметил, что интересным открытием стало то, что предварительная окислительная обработка с образованием слоя α-Al2O3 не обеспечивала коррозионную стойкость выше 1023 K.
После извлечения образцов из расплава делалось их поперечное сечение. По нему учёные определили, что CVD-SiC реагировал с примесями в сплаве LiPb с образованием слоя сложных оксидов. Они придавали ему необходимую коррозионную стойкость. Необработанный сплав FeCrAl при взаимодействии с LiPb образовывал слой оксида γ-LiAlO2, который выступал в качестве антикоррозионной защиты.
В случае предварительно обработанного FeCrAl поверхностный слой α-Al2O3 обеспечивал коррозионную стойкость при 873 К. Но при 1173 К он трансформировался в γ-LiAlO2 и именно это вещество в дальнейшем обеспечивало коррозионную стойкость.
(голосов: 1, в среднем: 5,00 из 5)
Загрузка...
