Duży krok naprzód. Nowa powłoka reaktorów termojądrowych
Inżynierowie z Uniwersytetu Wisconsin–Madison opracowali materiał, który radzi sobie z ekstremalnie trudnymi warunkami panującymi w reaktorze termojądrowym. Nowa powłoka dobrze wypadła podczas testów, w których warunki były zbliżone do tych panujących wewnątrz reaktora fuzyjnego.
03.01.2024 13:01
Zalogowani mogą więcej
Możesz zapisać ten artykuł na później. Znajdziesz go potem na swoim koncie użytkownika
Naukowcy wskazują, że materiał ten może umożliwić stworzenie bardziej wydajnych kompaktowych reaktorów, które będą łatwiejsze w naprawie i konserwacji.
W swoich pracach amerykańscy naukowcy wykorzystali technologię powlekania natryskowego na zimno, aby nałożyć na stal nierdzewną powłokę z tantalu – metalu wytrzymującego wysokie temperatury. W ten sposób powstał materiał, który wytrzyma trudne warunki panujące w reaktorze termojądrowym. Nowa powłoka pozwoli na znacznie lepszą ochronę ścian reaktora. Opis i rezultaty prac ukazały się w czasopiśmie "Physica Scripta" (DOI: 10.1088/1402-4896/ad0098).
Dalsza część artykułu pod materiałem wideo
- Społeczność zajmująca się syntezą termojądrową pilnie poszukuje nowych technik produkcji, aby ekonomicznie wytwarzać duże elementy do reaktorów termojądrowych, zwłaszcza te skierowane w stronę plazmy – mówi Mykola Ialovega z Uniwersytetu Wisconsin–Madison, główny autor badań. - Nasza technologia wykazuje znaczną poprawę w porównaniu z obecnymi podejściami. Dzięki tym badaniom jako pierwsi zademonstrowaliśmy korzyści płynące ze stosowania technologii powlekania natryskowego na zimno w zastosowaniach termojądrowych – dodaje.
Ochrona reaktora
Tantalowa powłoka została przetestowana w ekstremalnych warunkach charakterystycznych dla reaktora termojądrowego. Testy przebiegły niezwykle obiecująco. Uczeni podczas obserwacji zauważyli, że materiał wyjątkowo dobrze wychwytuje cząsteczki wodoru, co jest korzystne w przypadku kompaktowych urządzeń termojądrowych.
- Odkryliśmy, że powłoka tantalu natryskiwana na zimno pochłania znacznie więcej wodoru niż tantal nanoszony standardowymi technikami prawdopodobnie ze względu na wyjątkową mikrostrukturę powłoki – mówi profesor Kumar Sridharan z Uniwersytetu Wisconsin–Madison. To jego zespół w ostatnich latach spopularyzował wśród społeczności fizyków zajmujących się energią jądrową technologię powlekania natryskowego na zimno, wdrażając ją do wielu zastosowań związanych z reaktorami fuzyjnymi.
Fuzja jądrowa to proces, który zasila gwiazdy, takie jak nasze Słońce. Opanowanie sposobów jego kontrolowania niesie obietnice uzyskania niemal nieograniczonego źródła czystej energii z wykorzystaniem niewielkiej ilości paliwa. Proces fuzji łączy w wysokich temperaturach atomy lekkich pierwiastków, takich jak deuter i tryt, w cięższe pierwiastki, jak hel. Powstają przy tym ogromne ilości energii w postaci ciepła.
W urządzeniach termojądrowych plazma – zjonizowany gazowy wodór – jest podgrzewana do niezwykle wysokich temperatur, rzędu 100 milionów stopni Celsjusza. Tylko wtedy lżejsze atomy będą mogły połączyć się w cięższy. A do utrzymywania plazmy w ryzach potrzeba potężnego i stabilnego pola magnetycznego. Energia wytworzona przez reakcję termojądrową powinna utrzymać temperaturę, a nadmiar ciepła może zostać przetworzony na energię elektryczną.
Jednakże w procesie tym niektóre jony wodoru mogą uciec z plazmy. - To może spowodować starty mocy w plazmie, co sprawia, że utrzymanie gorącej plazmy i wyprodukowanie wydajnego małego reaktora termojądrowego jest bardzo trudne – mówi Ialovega. Dlatego naukowcy postanowili stworzyć nową powierzchnię dla ścian reaktora zwróconych w stronę plazmy, która mogłaby wychwytywać cząstki wodoru zderzające się ze ścianami.
Powłoka z tantalu
Tantal z natury dobrze absorbuje wodór, a naukowcy podejrzewali, że utworzenie powłoki tantalu w procesie natryskiwania na zimno jeszcze bardziej zwiększy jego zdolność do wychwytywania wodoru.
Tworzenie powłoki przypomina trochę użycie puszki farby w sprayu. Polega na wyrzucaniu cząstek materiału powłokowego na powierzchnię z prędkością naddźwiękową. Po uderzeniu cząsteczki spłaszczają się jak naleśniki i pokrywają całą powierzchnię, zachowując jednocześnie granice w skali nano pomiędzy cząsteczkami powłoki. Naukowcy odkryli, że to właśnie te maleńkie granice ułatwiają wychwytywanie cząstek wodoru.
Ialovega przeprowadził eksperymenty na powlekanym materiale w obiektach we Francji i w Niemczech. W ich trakcie odkrył, że podgrzanie materiału do wyższej temperatury powoduje usunięcie uwięzionych cząstek wodoru bez modyfikowania powłok – jest to proces, który zasadniczo regeneruje materiał, dzięki czemu można go ponownie wykorzystać.
- Kolejną dużą zaletą metody natryskiwania na zimno jest to, że umożliwia ona naprawę elementów reaktora na miejscu poprzez nałożenie nowej powłoki. Obecnie uszkodzone elementy reaktora często trzeba usuwać i zastępować zupełnie nową częścią, co jest kosztowne i czasochłonne – mówi Ialovega.
- Stworzenie ogniotrwałego kompozytu metalowego charakteryzującego się dobrze kontrolowaną obsługą wodoru w połączeniu z odpornością na erozję i ogólną odpornością materiału to przełom w projektowaniu urządzeń plazmowych i systemów energii termojądrowej. Perspektywa zmiany stopu i włączenia innych metali ogniotrwałych w celu ulepszenia kompozytu do zastosowań nuklearnych jest szczególnie ekscytująca – podkreśla profesor Oliver Schmitz.