Найден Грааль термоядерного синтеза? Ученые исследуют новые материалы для сердца реактора
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.
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.
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.
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.
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
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.
Не может, но идёт. Парадокс…
[[ 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