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. 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.
– 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.
Opis i rezultaty prac ukazały się w czasopiśmie „Physica Scripta” (DOI: 10.1088/1402-4896/ad0098).
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.
Źródło: University of Wisconsin-Madison, fot.UKAEA/ EUROfusion. Na zdjęciu wnętrze tokamaka JET z plazmą
