Dobór odpowiednich materiałów konstrukcyjnych do reaktorów termojądrowych

Czy dwa obiecujące materiały konstrukcyjne korodują w bardzo wysokich temperaturach w kontakcie z „generatorami paliwa z ciekłego metalu” w reaktorach termojądrowych? Naukowcy z Tokyo Institute of Technology (Tokyo Technology), National Institutes of Quantum Science and Technology (QST) oraz Yokohama National University (YNU) mają teraz odpowiedź. Ta kompatybilność wysokotemperaturowa materiałów konstrukcyjnych reaktora z generatorem cieczy — wyściółka wokół rdzenia reaktora, która pochłania i zatrzymuje wysokoenergetyczne neutrony wytwarzane w plazmie wewnątrz reaktora — jest kluczem do udanego projektu reaktora termojądrowego.

Reaktory termojądrowe mogą być potężnym sposobem generowania czystej energii elektrycznej, a obecnie bada się kilka potencjalnych projektów. W reaktorze termojądrowym fuzja dwóch jąder uwalnia ogromne ilości energii. Energia ta jest uwięziona w postaci ciepła w „kocu hodowlanym” (BB), zwykle w postaci płynnej bryłki litu, która otacza rdzeń reaktora. Ciepło to jest następnie wykorzystywane do zasilania turbiny i wytwarzania energii elektrycznej. BB pełni również istotną funkcję odtwarzania paliwa termojądrowego, tworząc zamknięty cykl paliwowy dla niekończącej się pracy reaktorów bez wyczerpania paliwa.

Eksploatacja BB w ekstremalnie wysokich temperaturach przekraczających 1173 K pełni atrakcyjną funkcję wytwarzania wodoru z wody, obiecującej technologii umożliwiającej osiągnięcie społeczeństwa neutralnego pod względem emisji dwutlenku węgla. Jest to możliwe, ponieważ BB jest podgrzewany do ponad 1173 K poprzez pochłanianie energii z reakcji fuzji. W takich temperaturach istnieje ryzyko korozji materiałów konstrukcyjnych stykających się z BB, zagrażającej bezpieczeństwu i stabilności reaktorów. Dlatego konieczne jest znalezienie materiałów konstrukcyjnych, które są chemicznie kompatybilne z BB w tych temperaturach.

Jednym z rodzajów kulek, który jest obecnie badany, jest kulka z ciekłego metalu. Obiecującym kandydatem na takie kulki jest ciekły stop litu (LiPb). Jako kandydaci na materiały konstrukcyjne zgodne z ciekłym LiPb w ultrawysokiej temperaturze, badane są specyficzne wstępnie utlenione stopy węglika krzemu (SiC), CVD-SiC i stopy żelazo-chrom-aluminium (FeCrAl). Brakuje jednak informacji o tej kompatybilności dla temperatur przekraczających 973 K.

Teraz zespół naukowców z Tokyo Tech, QST i YNU w Japonii, kierowany przez profesora Masatoshi Kondo z Tokyo Tech, wykazał kompatybilność w znacznie wyższych temperaturach. Ich odkrycia zostały opublikowane w nauka o erozji. „Nasze badanie pokazuje niuanse mechanizmu odporności na korozję stopów CVD-SiC i FeCrAl w ciekłym LiPb do 1173 K” – wyjaśnia prof. Kondo.

Zespół najpierw zsyntetyzował LiPb o wysokiej czystości poprzez stopienie i mieszanie granulek Li i Pb w urządzeniu w warunkach próżni. Następnie podgrzali stop do powyższych temperatur, gdzie został upłynniony. Próbki CVD-SiC i dwa warianty stopu FeCrAl – z obróbką wstępną lub bez obróbki wstępnej do α-Al₂a₃ Warstwa wierzchnia — ten płynny LiPb został umieszczony na 250 godzin w celu przeprowadzenia testu korozyjnego. Profesor Kondo zauważa: „Intrygującym odkryciem jest to, że w przeciwieństwie do wcześniejszej literatury, obróbka wstępna utleniania w celu wytworzenia α-Al₂a₃ Warstwa nie zapewniała odporności na korozję przekraczającej 1023 K.

Przekroje pobranych próbek wykazały, że CVD-SiC reagował z zanieczyszczeniami stopu LiPb tworząc warstwę złożonych tlenków, które następnie nadawały mu odporność na korozję. Nieobrobiony stop FeCrAl utworzył warstwę tlenku γ-LiAlO₂ Po interakcji z LiPb, który następnie działał jako bariera antykorozyjna. W przypadku wstępnie obrobionego FeCrAl, α-Al₂a₃ Warstwa powierzchniowa zapewnia odporność na korozję w temperaturze 873 K, ale jest przekształcana w γ-LiAlO₂ w 1173 K i był γ-LiAlO₂ Który następnie zapewnił odporność na korozję.