Инженери от Университета на Уисконсин-Медисън са използвали технология за нанасяне на покритие чрез студено впръскане, за да произведат нов работен материал, който може да издържи на тежките условия в термоядрен реактор.
Методът, описан подробно в статия, публикувана наскоро в списание Physica Scripta, би могло да позволи създаването на по-ефективни компактни реактори за термоядрен синтез, които са по-лесни за ремонт и поддръжка.
"Общността на изследователите в областта на термоядрения синтез спешно търси нови производствени подходи за икономично производство на големи компоненти, работещи с плазма в реакторите за термоядрен синтез", обяснява Микола Яловога (Mykola Ialovega), постдокторант по ядрено инженерство и инженерна физика в Университета на Уисконсин-Медисън и водещ автор на статията. "Нашата технология показва значителни подобрения в сравнение с настоящите подходи. С това изследване първи демонстрирахме ползите от използването на технологията за нанасяне на покритие чрез студено пръскане за приложения в областта на термоядрения синтез."
Изследователите използват процес на студено пръскане за нанасяне на покритие от тантал - метал, който издържа на високи температури - върху неръждаема стомана. Те изпробват своето танталово покритие чрез студено пръскане в екстремни условия, характерни за реактор за термоядрен синтез, и установяват, че то се представя много добре. Важно е да се отбележи, че материалът е изключително добър при улавянето на водородни частици, което е от полза за компактните устройства за термоядрен синтез.
Изследователите откриват, че танталовото покритие от студено пръскане поглъща много повече водород, отколкото танталът в насипно състояние, поради уникалната микроструктура на покритието. През последното десетилетие екипът въвежда технологията на студеното пръскане, прилагайки я за множество приложения, свързани с реакторите за делене.
Те смятат, че "простотата на процеса на студено пръскане го прави много практичен за приложение".
В устройствата за термоядрен синтез плазмата - йонизиран водороден газ - се нагрява до изключително високи температури, а атомните ядра в плазмата се сблъскват и се обединяват. При този процес на синтез се получава енергия. Някои водородни йони обаче могат да се неутрализират и да се отклонят от плазмата.
"Тези неутрални водородни частици предизвикват загуби на енергия в плазмата, което прави много трудно поддържането на гореща плазма и наличието на ефективен малък термоядрен реактор", обяснява Яловега, който работи в изследователската група на Оливер Шмиц, професор по ядрено инженерство и инженерна физика.
Ето защо изследователите си поставят за цел да създадат нова повърхност за стените на реактора, насочени към плазмата, която да може да улавя водородните частици при сблъсъка им със стените.
Танталът по своята същност е добър в абсорбирането на водород - и изследователите подозират, че създаването на танталово покритие чрез процес на студено пръскане ще увеличи още повече способностите му за улавяне на водород.
Създаването на покритие чрез студено пръскане донякъде прилича на използването на спрей за боядисване. То се състои в задвижване на частици от материала за покритие със свръхзвукова скорост върху дадена повърхност. При удара частиците се сплескват като палачинки и покриват цялата повърхност, като запазват наноразмерните граници между частиците на покритието. Изследователите откриват, че тези малки граници улесняват улавянето на водородни частици.
Яловога провежда експерименти с покритието в съоръженията на Университета в Екс Марсилия във Франция и Forschungszentrum Jülich GmbH в Германия. По време на тези експерименти той установява, че когато нагрее материала до по-висока температура, той изхвърля уловените водородни частици, без да променя покритията - процес, който по същество регенерира материала, така че да може да се използва отново.
"Друго голямо предимство на метода на студеното пръскане е, че той ни позволява да ремонтираме компонентите на реактора на място, като нанасяме ново покритие", посочва Яловога. "Понастоящем повредените компоненти на реактора често трябва да се демонтират и да се заменят с напълно нова част, което е скъпо и отнема много време."
Изследователите планират да използват своя нов материал в експеримента WHAM - високотемпературно свръхпроводниково осесиметрично огледало в Уисконсин (Wisconsin HTS Axisymmetric Mirror). Експерименталното устройство WHAM е в процес на изграждане близо до Мадисън, Уисконсин, и ще служи като прототип за бъдеща термоядрена електроцентрала от следващо поколение, която UW-Madison spinoff Realta Fusion цели да разработи.
осевосиметричното огледало Wisconsin HTS (WHAM). Експерименталното устройство е в процес на изграждане близо до Медисън, щата Уисконсин, и ще служи като прототип за бъдеща термоядрена електроцентрала от следващо поколение, която Университетът на Уисконсин-Медисън (UW-Madison) се стреми да разработи. Експериментът WHAM, разположен в Лабораторията за физически науки, е резултат от партньорството между UW-Madison, Масачузетския технологичен институт и Commonwealth Fusion Systems.
"Създаването на огнеупорен метален композит с тези характеристики на добре контролирана работа с водород, съчетан с устойчивост на ерозия и обща устойчивост на материала, е пробив в проектирането на плазмени устройства и системи за термоядрена енергия", отбелязва Шмиц. "Перспективата за промяна на сплавта и включването на други огнеупорни метали, за да се подобри композитът за ядрени приложения, е особено вълнуваща."
Справка: Mykola Ialovega et al, Initial study on thermal stability of cold spray tantalum coating irradiated with deuterium for fusion applications, Physica Scripta (2023). DOI: 10.1088/1402-4896/ad0098
Източник: Newly developed material gulps down hydrogen, spits it out, protects fusion reactor walls, Adam Malecek, University of Wisconsin-Madison
Коментари
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!
3005
1
19.12 2023 в 02:22
Последни коментари