Научная группа из Университета Суррея (Великобритания) сделала важный шаг к созданию более безопасных и долговечных термоядерных реакторов. В сотрудничестве с Британским управлением по атомной энергии, Национальной физической лабораторией и компанией TESCAN, которая разрабатывает оборудование для нанотехнологий, инженеры разработали метод, позволяющий выявлять скрытые слабости в сварных соединениях металлов, применяемых в будущих установках ядерного синтеза. Их работа вышла в Journal of Materials Research and Technology.
Сварные соединения, участки, где металлические детали скрепляются при помощи сварки, играют ключевую роль в конструкции реакторов. Однако до сих пор поведение этих мест в условиях высоких температур и давления оставалось плохо изученным. Используя усовершенствованную микроскопию, объединяющую плазменно-фокусированный ионный пучок и цифровую корреляцию изображений (PFIB-DIC), ученые смогли «увидеть» остаточные напряжения в ультраузких сварных зонах — тех, которые ранее было невозможно исследовать стандартными методами.
Термоядерная энергия имеет огромный потенциал как источник чистой, надежной энергии, которая может помочь нам сократить выбросы углерода, повысить энергетическую безопасность и снизить затраты на энергию в условиях растущих счетов. Однако сначала нам нужно убедиться, что термоядерные реакторы безопасны и долговечны.
Эксперт отметила, что предыдущие исследования изучали поведение материалов при более низких температурах, но ученые нашли способ проверить, как сварные соединения ведут себя в реальных условиях термоядерного реактора, особенно при высокой температуре. Результаты более репрезентативны для суровых условий термоядерного реактора, что делает их более полезными для будущего проектирования реакторов и оценки безопасности.
В центре внимания оказался металл P91 — прочная жаростойкая сталь, кандидат на использование в термоядерных установках. При температуре 550 градусов Цельсия, ожидаемой в реакторе, эта сталь теряет более 30% прочности и становится более хрупкой. Исследование показало, что внутренние напряжения, возникающие при сварке, влияют на то, как сталь гнется, ломается и изнашивается. В одних местах напряжение делает металл крепче, в других — наоборот, ослабляет его.
Эти данные важны не только для повышения безопасности, но и для увеличения срока службы будущих установок. Сами ученые отмечают, что их методика поможет не только проверить материалы в лаборатории, но и улучшить работу компьютерных моделей и алгоритмов машинного обучения, которые используются при проектировании реакторов. Это позволит ускорить разработку систем вроде британского проекта STEP и европейского DEMO, сократить затраты и сделать процесс проектирования более точным.
Исследование открывает путь к более надежным материалам, которые смогут выдерживать экстремальные нагрузки и служить дольше. Кроме того, оно позволяет пересмотреть подход к оценке прочности сварных соединений не только в энергетике, но и в других отраслях, где конструкции подвергаются высоким температурам и давлению.
История мирного атома началась задолго до сегодняшних исследований термоядерной энергетики. Одной из важнейших вех на этом пути стало создание Института ядерных исследований в Дубне — центра, где рождались элементы таблицы Менделеева и технологии будущего. Об этом вы можете прочитать в этой статье.