Новая технология получения «термоядерного» композита

Ученые кафедры «Физические проблемы материаловедения» ИЯФиТ НИЯУ МИФИ разработали технологию получения композитного материала для термоядерных реакторов будущего. Ученые придумали способ соединить вольфрамовую сетку и стальную основу конструкции реактора в единый элемент.

Фото: Rosatom/Global Look Press

Представьте себе стенку термоядерного реактора — установки, в которой учёные пытаются воспроизвести реакции, идущие в недрах Солнца. На эту стенку обрушиваются потоки раскалённой плазмы. Именно поэтому выбор оптимального материалаобращённые к плазме, — одна из главных проблем конструкторов будущих электростанций.

Сегодня самый популярный материал для таких поверхностей — вольфрам: у него рекордно высокая температура плавления (3422 °C) и отличная теплопроводность.

Но у твёрдого вольфрама есть слабое место — срывы плазмы, при которых на отдельные участки стенки кратковременно обрушивается колоссальная энергия. Тут приходит на помощь идея «жидкометаллической» защиты: если покрыть участок стенки тонким слоем жидкого лития, тот испаряется и создаёт облако, экранирующее поверхность от теплового удара.

Чтобы литий сам поднимался на поверхность стенки, используют капиллярно-пористые структуры (КПС) — по сути, вольфрамовую губку из спрессованных тонких проволочек. Жидкий металл по капиллярам поднимается из резервуара вверх, к плазме, и обновляется естественным образом, без насосов.

Проблема в том, что такую «губку» нужно надёжно прикрепить к стальной основе — корпусу реактора. Точечная сварка и зажимы, как показали эксперименты, не обеспечивают хорошего теплового контакта: структура перегревается, локально оплавляется и разрушается. Идеальное решение — сделать основу и пористую структуру единым целым, частично пропитав вольфрамовую губку расплавом металла, совместимого со стальной основой токамака.

Здесь и начинаются сложности. Сталь — традиционный конструкционный материал токамаков — при контакте с вольфрамом образует хрупкий интерметаллид Fe₇W₆. Этот слой образуется на границе волокна и матрицы, а трещины, заполненные сталью, из-за разницы коэффициентов теплового расширения расползаются дальше.

Коллектив авторов кафедры физических проблем материаловедения НИЯУ МИФИ Н. С. Попов, А. Н. Сучков, М. Ю. Жарков и их коллеги — испытал два метода заполнения пористой вольфрамовой структуры расплавом: литьё в медную изложницу и инфильтрацию погружением. Оказалось, что и в том и в другом случае стальная матрица содержит интерметаллиды, а вольфрамовое волокно частично растворяется. Задачу защиты волокна от расплава стали не решили: покрытия неизбежно растворяются, соответственно интерметаллиды снова выделяются

Выход подсказали существуюшие сплавы ВНЖ (вольфрам-никель-железо). Ещё в предыдущих работах было показано: если вместо стали взять сплав с соотношением никеля и железа, близким к 2:1 (66 атомных процентов никеля и 34 — железа), то вольфрам не образует хрупких интерметаллидов, а растворяется в пластичном твёрдом растворе

Именно такой композит — WNi34Fe — и удалось получить методом литья. В его структуре нет ни хрупких интерметаллидных прослоек, ни трещин на границе фаз, несмотря на заметную разницу коэффициентов теплового расширения.  При этом содержание вольфрама в таком композите достигает 42 объёмных процентов — значительно выше, чем в стальных аналогах (около 25 %).

«Сплав Ni34Fe — оптимальный материал матрицы композита. В его структуре нет ни хрупких прослоек, ни трещин, а содержание стойкого к высоким температурам вольфрама значительно выше, чем в стальных аналогах. По сути, мы придумали промежуточную прослойку между стальным корпусом реактора и вольфрамовой структурой. Получилось что-то вроде бутерброда, который не будет перегреваться и разрушаться внутри реактора», - говорит инженер кафедры «Физические проблемы материаловедения» НИЯУ МИФИ Никита Попов.

Работа, поддержанная грантом Российского научного фонда, показала главное: создать единый монолитный блок «вольфрамовая пористая структура — металлическая матрица», который можно напрямую присоединить к стальному корпусу реактора с каналами охлаждения, принципиально возможно. И делать это лучше всего методом инфильтрации погружением, который позволяет контролировать температуру расплава, нагрев образца и время взаимодействия.

Впереди — оптимизация параметров процесса, чтобы свести к минимуму растворение вольфрамового волокна и количество нежелательных фаз. Но направление поиска уже понятно: там, где сталь не справляется, на выручку приходит никель-железный сплав. Термоядерная энергетика, как известно, дело неблизкого будущего, но каждый такой шаг в материаловедении приближает тот день, когда на Земле зажжётся маленькое солнце.

Разработка ученых МИФИ освещена в ряде средств масовой информации, в чаастности в «Московском комсомольце»