Найден Грааль термоядерного синтеза? Ученые исследуют новые материалы для сердца реактора

Пост опубликован в блогах iXBT.com, его автор не имеет отношения к редакции iXBT.com

Термоядерный синтез — мечта энергетики, чистый и практически неисчерпаемый источник энергии. Но на пути к этой мечте стоит множество технологических преград. Одна из самых сложных — поиск материалов, способных выдержать адские условия внутри реактора. Представьте себе сердце звезды, заключенное в рукотворную оболочку. Это и есть термоядерный реактор, где плазма, раскаленная до миллионов градусов, испускает потоки нейтронов, электронов и излучения. Именно на границе с этой плазмой и должны работать материалы, от стойкости которых зависит успех всего предприятия.

Ключевой элемент конструкции — дивертор, своеобразный «пылесос» реактора. Он отводит тепло и продукты реакции, защищая стенки от разрушения. В строящемся реакторе ИТЭР дивертор изготовлен из вольфрама, известного своей исключительной жаропрочностью. Но вольфрам — не единственный кандидат, и ученые продолжают поиски более подходящих материалов для реакторов будущего.

Исследователи из лаборатории MARVEL (EPFL) под руководством Николы Марцари разработали новый подход к этой проблеме. Они предложили метод компьютерного скрининга, позволяющий оценить пригодность различных материалов для работы в экстремальных условиях дивертора.

Термоядерный реактор, вольная интерпретация
Термоядерный реактор, вольная интерпретация
Автор: ИИ Copilot Designer//DALL·E 3 Источник: www.bing.com

Первая задача — сделать вычисления осуществимыми. Моделирование взаимодействия плазмы и материала на атомном уровне — задача колоссальной сложности. Поэтому ученые сосредоточились на ключевых свойствах, определяющих стойкость материала: теплоемкость, теплопроводность, температура плавления, плотность и максимальная допустимая толщина слоя. Анализируя базу данных кристаллических структур (файлы Полинга), они отобрали материалы, теоретически способные выдержать температурный режим реактора.

Схематическое представление пространства материалов (MS) в MPDS и его исследование на основе количества доступных свойств и соответствующей процедуры ранжирования, позволяющей идентифицировать перспективных кандидатов путем применения нескольких критериев ранжирования.
Схематическое представление пространства материалов (MS) в MPDS и его исследование на основе количества доступных свойств и соответствующей процедуры ранжирования, позволяющей идентифицировать перспективных кандидатов путем применения нескольких критериев ранжирования.
Автор: FEDRIGUCCI, MARZARI, and RICCI; PRX ENERGY Источник: journals.aps.org

Получился первичный список из 71 кандидата. Дальше началась кропотливая работа с научной литературой. Каждый материал проверялся на предмет ранее проведенных испытаний, известных недостатков и склонности к эрозии или деградации под воздействием плазмы и нейтронов. Этот этап отсеял даже некоторые перспективные материалы, например, высокоэнтропийные сплавы.

Тепловая карта материалов, ранжированных от 1 (слева вверху) до 100 (справа внизу) в соответствии с процедурой сравнительного ранжирования. Материалы отнесены к подмножеству 3𝑝 и расположены в порядке возрастания их средневзвешенной доли выигрыша (‾ ℱ𝑖), при этом максимальная потенциальная оценка составляет 100 %. На рисунке также приведены индивидуальные значения доли выигрыша (ℱ𝑖,𝑘) для каждого свойства материалов.
Тепловая карта материалов, ранжированных от 1 (слева вверху) до 100 (справа внизу) в соответствии с процедурой сравнительного ранжирования. Материалы отнесены к подмножеству 3𝑝 и расположены в порядке возрастания их средневзвешенной доли выигрыша (‾ ℱ𝑖), при этом максимальная потенциальная оценка составляет 100 %. На рисунке также приведены индивидуальные значения доли выигрыша (ℱ𝑖,𝑘) для каждого свойства материалов.
Автор: FEDRIGUCCI, MARZARI, and RICCI; PRX ENERGY Источник: journals.aps.org

В финале остался 21 материал. Для них были рассчитаны два критических параметра: энергия связи поверхности (показатель устойчивости к эрозии) и энергия образования междоузлий водорода (показатель взаимодействия с тритием). Эрозия — серьезная проблема, так как высвобождающиеся атомы загрязняют плазму, снижая ее температуру. Взаимодействие с тритием также нежелательно: оно снижает эффективность реакции и может привести к опасному накоплению этого изотопа.

Итоговый рейтинг включает как привычные материалы (вольфрам, графит, нитрид бора), так и неожиданных претендентов, например, определенную фазу нитрида тантала, ранее не рассматривавшуюся в качестве материала для дивертора.

Тепловая карта материалов, ранжированных от 101 (вверху слева) до 200 (внизу справа) в соответствии с процедурой сравнительного ранжирования. Материалы отнесены к подмножеству 1𝑝 и расположены в порядке возрастания их средневзвешенной доли выигрыша (‾ ℱ𝑖), при этом максимальная потенциальная оценка составляет 33,3 %. На рисунке также приведены индивидуальные значения доли выигрыша (ℱ𝑖,𝑘) для каждого свойства материалов.
Тепловая карта материалов, ранжированных от 101 (вверху слева) до 200 (внизу справа) в соответствии с процедурой сравнительного ранжирования. Материалы отнесены к подмножеству 1𝑝 и расположены в порядке возрастания их средневзвешенной доли выигрыша (‾ ℱ𝑖), при этом максимальная потенциальная оценка составляет 33,3 %. На рисунке также приведены индивидуальные значения доли выигрыша (ℱ𝑖,𝑘) для каждого свойства материалов.
Автор: FEDRIGUCCI, MARZARI, and RICCI; PRX ENERGY Источник: journals.aps.org

Работа ученых из MARVEL — важный шаг в поиске оптимальных материалов для термоядерных реакторов. В будущем исследователи планируют усовершенствовать свою модель, учитывая влияние нейтронного облучения с помощью нейронных сетей. Это позволит еще точнее предсказать поведение материалов в экстремальных условиях термоядерного синтеза и, возможно, приблизит нас к реализации мечты о чистой и безопасной энергии.

3 комментария

Добавить комментарий

1
При какой температуре эти соединения могут сохранять свою структуру? Температура в сопле ракеты более10000 C° которые не выдерживает вольфрам, а в термоядерном реакторе предполагается температура около 150 МИЛЛИНОВ C°. Можете распрощаться с наивной мечтой, но никто не мешает искать другие варианты решения этой задачи. Кстати о «Солнечном» реакторе — водорода 1H = 91%,
гелия 4Нe = 8%
углерода 12С, азота 14N, кислорода 16O ~ 1%,
дейтерия 2H и трития 3H < 10-4%,
т.е. на Солнце нет дейтерия и трития и не может идти синтез изотопов водорода.
Как-то так.
s
… на Солнце нет дейтерия и трития и не может идти синтез изотопов водорода.
Как-то так.

Не может, но идёт. Парадокс…
1
Исходя из прежде упоминавшейся работы
[[ В результате реализации рр-цикла, реакции которого представлены ниже, выделяется термоядерная энергия
Ет.я. = Δm/m·с2 = 7·1018 эрг/г.
Удельное энерговыделение солнечного вещества
ε = L/М = 2 эрг·г-1·с-1.
Такое низкое энерговыделение характеризует процесс тления, а не горения.
Время жизни термоядерных реакций
tт.я. = Ет.я./ε = 1.2·1011 лет
рр-цикл:]]
Я полагаю в настоящий момент учёные пытаются получить энергию от маленького термоядерного взрыва растянутого во времени. Тем не менее это ВЗРЫВ. Внутри Солнца происходят вещи другого порядка, и происходит синтез совсем других материалов. Но, думаю никому не хочется иметь дело с радиоактивным изотопом вольфрама? Или трансуранидов? В настоящий момент человечество не может так тонко управлять термоядерными реакциями, однако наука для того и существует. Пусть пробуют, желательно в космосе.

Добавить комментарий

Сейчас на главной

Новости

Публикации

Ученые вырастили организм, от которого произошла вся сложная жизнь. Внутри него не оказалось органов

Все живые существа на Земле делятся на две принципиально разные группы.К первой относятся бактерии и археи. Их клетки устроены относительно просто: внутри нет изолированных отсеков, а генетический...

Где в мозге находится сознание и почему ученые десятилетиями искали его не там

В каждую секунду глаза передают в мозг огромный объем зрительной информации, но человек осознает лишь малую ее часть. Остальные сигналы обрабатываются без участия сознания. Чтобы понять, чем...

На Галапагосах уничтожили более 140 тысяч одичавших коз — что произошло с островами после их исчезновения

На Галапагосах трудно представить более странного врага гигантской черепахи, чем обычная домашняя коза. Она не охотится на черепах и не разоряет их кладки. Но несколько поколений одичавших животных...

Почему роторные двигатели не стали массовыми, хотя они лёгкие и мощные

У Mazda RX-8 с механической коробкой передач красная зона тахометра начиналась у 9000 оборотов в минуту. Такой характер обеспечивал небольшой двухроторный двигатель, которому не требовался...

Чем полезен умный выключатель света и стоит ли его приобретать

Умный выключатель света кажется мелочью, пока не начинаешь пользоваться им каждый день. Свет в коридоре можно включать голосом, освещение в спальне выключать со смартфона, а вечером автоматически...