Водород играет все большую роль в современных технологиях. Все чаще звучат разговоры про водородную энергетику, автомобилестроители мечтают заменить водородом бензин, а металлурги — природный газ. И, конечно, водород является основой для термоядерной реакции, которая может подарить человечеству неисчерпаемые источники энергии.
Однако водород чрезвычайно опасный газ, он может взрываться, он проникает внутрь металла и разрушает его. Об изучении взаимодействия водорода с металлами, и прежде всего с материалами внутренних стенок термоядерных реакторов специально для Наука Mail рассказала эксперт Национального исследовательского ядерного университета МИФИ.
Водород и дефекты материалов
Водород в материалах — обширная тема, и фундаментальные знания о ней необходимы для применения в различных областях, например, для разработки новых передовых материалов для хранения и транспортировки водорода, для ядерных и термоядерных реакторов, а также для химических, инженерных, авиакосмических технологий. Водород является одной из ключевых технологий использования возобновляемых источников энергии, а дейтериево-тритиевая смесь является топливом для термоядерных реакторов. Обеспечение безопасности компонентов, используемых в водородной инфраструктуре, требует всестороннего понимания того, как водород взаимодействует с материалами и как он изменяет или ухудшает механические свойства.
Водородное охрупчивание, а именно захват водорода в дефекты материала, является большой проблемой для многих технических систем, так как влияет на механическое поведение материалов и механические свойства, такие, как прочность, пластичность, твердость и сопротивление к разрушению. Проблема водородного охрупчивания актуальна для водородной энергетики, где происходит транспортировка и хранение водорода, для ядерных, термоядерных и гибридных реакторов, в частности, для гибридного реактора, который сейчас строится в Курчатовском институте. Накопление трития в термоядерном реакторе лимитировано в целях обеспечения безопасности работы реактора, поэтому оценка накопления изотопов водорода в материалах первой стенки является необходимой. И для этого важно глубокое понимание физики взаимодействия плазмы с материалом.
В последнее время мы в основном занимаемся применением наших моделей для разработки новых материалов с улучшенными радиационными свойствами и минимизацией водородного охрупчивания. Здесь требуется понимание взаимодействия водорода с дефектами, то есть необходимо знать, какие виды дефектов создаются в процессе радиационного облучения, и сколько водорода захватывает каждый вид дефектов. Для понимания, какие виды дефектов являются определяющими в водородном охрупчивание в конкретном случае комплексного материала и условий эксплуатации, необходимо развитие многоуровневого анализа материала от атомарного уровня до макроскопического, и развитие многомасштабных и мульти-физических систем моделирования материалов, учитывающих динамические изменения поверхности материала и дефектов в процессе эксплуатации.
Что происходит со стенками реактора
Существуют разные концепции материалов первой стенки термодядерного реактора, в основном это жидкие металлы и металлы на основе вольфрама. Было предложено, что необходимо в сталь и вольфрамовые сплавы добавлять керамические нанодисперсионные частицы, которые увеличивают радиационную стойкость материала и уменьшают накопление водорода в условиях образования радиационных дефектов, а также задерживают рост вольфрамового пуха под действием гелия. Также мы изучаем новые, так называемые высокоэнтропийные сплавы, которые имеют большое будущее в энергетике.
Что касается реактора ИТЭР, то у него, как известно, бериллий в качестве материала первой стенки заменили на вольфрам. Для того, чтобы в термоядерном реакторе был чистый разряд, все примеси из камеры реактора должны быть до и во время разряда максимально удалены. Бор является хорошим геттером для удаления кислорода, обеспечивая хороший вакуум. Однако бор, осаждаясь на первой стенке, влияет на накопление водорода. На нашей кафедре сейчас идет интенсивное изучение влияние бора на накопление изотопов водорода в вольфраме. Хотя пленка бора хорошо забирает кислород, но под влиянием плазменных разрядов она будет изменяться, распыляясь и переосаждаясь, и процессы изменения этой пленки и их влияние на накопление водорода пока очень плохо изучены, хотя очень актуальны.
Еще одна тема — это влияние гелия. При термоядерной реакции выделяются не только нейтроны, но и гелий, и он тоже взаимодействует со стенкой реактора и влияет на накопление изотопов водорода. И гелий тоже изменяет свойства материала. То есть это многоуровневые процессы, знания о которых необходимы.
Некоторые научные результаты
Установлено, что накопление дейтерия и гелия в материалах коррелирует с изменением границ зерен. Изменение зернистости материала в сторону уменьшения зерен от микроструктур к наноструктурам в обычном состоянии приводит к увеличению захвата водорода, но когда образуются радиационные дефекты, то оно как раз останавливает накопление водовода, поэтому мы рекомендуем использовать мелкозернистые наноматериалы. И также для сплавов мы увидели, как влияют изменения их наноструктуры и изменение легирующих элементов от микро до наноразмеров на накопление водорода. Был разработан новый двухфазный сплав вольфрама, хрома и иттрия (W-Cr-Y) с улучшенными радиационными свойствами и толерантностью к накоплению топлива для использования в термоядерном реакторе.
Разработанная в МИФИ модель диффузии, миграции, десорбции, удержания водорода и динамического образования дефектов материала, была валидирована в течение многих лет на множестве экспериментов. Физические эффекты, предсказанные данной моделью, были подтверждены экспериментально спустя 9 лет от момента предсказания. Я считаю это большим достижением, так как модель не только описывает настоящие экспериментальные данные, но и способна предсказывать явления, которые могут быть открыты только спустя много лет.
Модель может применяться для разных условий, она составлена из многих компонентов, которые могут быть применены для водородной энергетики, для авиакосмических технологий, и, конечно, для реакторов. Для реактора получается наиболее сложная модель, потому что в реакторе происходит распыление материала, изменение условий на поверхности, диффузия водорода и его захват динамически образовывавшимися дефектами в присутствии температурного градиента и полей напряжения.
Планы ученых
Мы сейчас хотим изучать накопление водорода в средне- и высоко-энтропийных материалах, то есть когда материал содержит 4 или 5 различных элементов. Это сложные сплавы, например: вольфрам, ниобий, тантал, ванадий и молибден. Проблема в том, что все они достаточно хрупкие в начальном состоянии, хотя они очень хорошо себя ведут в различных прикладных областях. И, конечно, мы продолжим отвечать на фундаментальные вопросы, сколько водорода накапливается в разных видах дефектов и в сложных сплавах и в многокомпонентых материалах, таких, как, например, вольфрам/сталь или вольфрам/медь, так как водород может значительно накаливаться на границах раздела фаз. У нас есть уникальные экспериментальные установки, позволяющие измерять десорбцию водорода прямо во время эксперимента, не вынося образцы на воздух, что позволяет учитывать влияние подвижного водорода и мелких ловушек на водородное охрупчивание, что теряется при ex-situ анализе.
Будем дальше сравнивать моделирование с результатами экспериментов, изучать развитие радиационных дефектов и захват водорода радиационными дефектами при разных экспериментальных условиях и разных материалах, это достаточно масштабная, сложная и интересная проблема и с научной точки зрения и с точки зрения прикладного применения в различных отраслях.
