PRX Energy: Открыты перспективные материалы для термоядерных реакторов

Ядерный синтез может стать идеальным решением энергетической проблемы человечества, так как он предполагает практически безграничный источник энергии без выбросов парниковых газов.

Но прежде чем приступить к его реализации, необходимо преодолеть огромные технологические трудности. Некоторые из них связаны с материалами.

Для термоядерных реакторов требуются материалы, которые могут выдерживать экстремальные условия на границе с плазмой.

В конструкции экспериментального европейского реактора ITER, который строится во Франции, есть компонент под названием дивертор. Он отбирает тепло и золу, образующиеся в результате термоядерной реакции, и направляет их на определенные поверхности для охлаждения.

Материалы дивертора, обращенные к плазме, выдерживают высокие температуры и постоянно подвергаются бомбардировке нейтронами, электронами, заряженными ионами и высокоэнергетическим излучением.

В проекте ИТЭР дивертор сделан из вольфрама, металла с высокой термостойкостью. Но рассматривались и другие варианты — углеродные волокна или керамические материалы. До сих пор нет уверенности, что вольфрам — лучший выбор для будущих реакторов.

Теория и вычислительные методы могут помочь найти оптимальный материал для дивертора и сделать термоядерный синтез реальностью. Ученые из лаборатории MARVEL в EPFL предложили метод масштабного скрининга потенциальных материалов и список наиболее перспективных из них.

Чтобы реалистично смоделировать динамику на границе плазма-материал, потребовалось бы просчитать поведение тысяч атомов в течение нескольких миллисекунд. При нынешних вычислительных мощностях это невозможно, — говорит Андреа Федригуччи, аспирант и первый автор статьи.

Поэтому ученые решили выбрать несколько ключевых свойств материала, обращенного к плазме, которые позволят оценить его эффективность в диверторе.

Сначала исследователи обратились к базе данных неорганических кристаллических структур Полинга и создали рабочий процесс для поиска тех из них, что обладают достаточной устойчивостью к температурам реактора. Это можно определить по их теплоемкости, теплопроводности, температуре плавления и плотности.

Поскольку температура поверхности слоя материала зависит от его толщины, команда также вычислила максимальную толщину, при которой материалы не расплавятся. Материалы были проранжированы в соответствии с этой характеристикой. Если максимальную толщину рассчитать не удалось, использовался метод оптимизации по Парето для ранжирования материалов по упомянутым свойствам.

В результате был составлен первый шорт-лист из 71 кандидата. На этом этапе пришлось использовать старинный метод, не связанный с вычислениями.

Я изучил литературу по каждому из материалов, чтобы проверить, не были ли они уже протестированы и отброшены или не было ли у них свойств, которые препятствуют их использованию в термоядерном реакторе. Например, склонность к эрозии или ухудшение тепловых свойств под воздействием плазмы и нейтронной бомбардировки, — заявил Федригуччи.

В результате исследования пришлось отказаться от некоторых инновационных материалов, предложенных для применения в термоядерных реакторах, например, высокоэнтропийных сплавов.

Из 21 материала с помощью DFT-процесса были рассчитаны два ключевых свойства, важных для плазменного синтеза: поверхностная энергия связывания (мера легкости извлечения атома с поверхности) и энергия образования водородного интерстиция (косвенный показатель растворимости трития в кристаллической структуре).

По словам Федригуччи, если материал дивертора чрезмерно эродирует в течение срока службы, атомы рассеиваются в плазме, снижая ее температуру.

Кроме того, химическая реакция материала с тритием может привести к уменьшению количества трития, доступного для термоядерного синтеза, а также к накоплению запасов трития свыше безопасных пределов.

В итоговый рейтинг по ключевым свойствам вошли:

• вольфрам в металлической (W) и карбидной формах (WC и W2C);
• алмаз и графит;
• нитрид бора;
• молибден, тантал и рений.

Были и сюрпризы — например, особая фаза нитрида тантала или другие керамики на основе бора и азота, которые ранее не испытывались для этого применения.

В будущем группа планирует использовать нейронные сети для более точного моделирования процессов, происходящих с материалами в реакторе, включая взаимодействие с нейтронами.

Результаты опубликованы в издании PRX Energy.

06.11.2024