Ученые Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории США (PNNL), Политехнического института Вирджинии и Государственного университета исследуют тяжелые вольфрамовые сплавы в качестве возможных материалов для использования в современных реакторах термоядерного синтеза. Прежде чем можно будет использовать энергию синтеза в качестве источника энергии, необходимо разработать современные реакторы термоядерного синтеза, которые могут выдерживать высокие температуры и условия облучения, возникающие в результате реакций синтеза.
Вольфрам имеет одну из самых высоких точек плавления среди прочих элементов, но при этом он может быть очень хрупким. Смешение вольфрама с небольшими количествами других металлов, таких как никель и железо, создает сплав, который прочнее самого вольфрама, но сохраняет при этом высокую температуру плавления. Кроме того, термомеханическая обработка таких тяжелых вольфрамовых сплавов может изменять такие свойства, как прочность на разрыв и вязкость при разрушении.
Исследователи обнаружили, что особая технология горячей прокатки производит микроструктуры в тяжелых вольфрамовых сплавах, которые имитируют структуру перламутра, обнаруженного в морских раковинах, и эта структура является чрезвычайно прочной. Группы исследователей из PNNL и Virginia Tech изучили тяжелые вольфрамовые сплавы, имитирующие перламутр для целей потенциального применения в области термоядерного синтеза.
«Это первое исследование, при котором изучались взаимосвязи материалов в таких небольших масштабах», — сказал Джейкоб Хааг, первый автор исследовательской статьи, недавно опубликованной в научном журнале Scientific Reports. — Проведя это исследование, мы выявили некоторые фундаментальные механизмы, которые влияют на прочность и долговечность материала». Он добавил: «Мы хотели понять, почему эти материалы демонстрируют почти беспрецедентные механические свойства в области металлов и сплавов».
Чтобы более подробно рассмотреть микроструктуру сплавов, Хааг и его команда применяли передовые методы определения характеристик материалов, такие как сканирующая просвечивающая электронная микроскопия для наблюдения за строением атомов. Они также графически изобразили наноразмерную структуру взаимодействия материалов с использованием комбинации энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии и томографии, сделанной при помощи атомного зонда.
Исследователи обнаружили, что в состоянии похожей на перламутр структуры, тяжелый вольфрамовый сплав состоит из двух четко прослеживаемых фаз: «твердой» фазы из почти чистого вольфрама и «пластичной» фазы, содержащей смесь никеля, железа и вольфрама. Исследования показывают, что высокая прочность тяжелых вольфрамовых сплавов является результатом тесной связи между отдельными фазами, в том числе между тесно связанными «твердой» и «пластичной» фазами.
«Несмотря на то, что две различные фазы создают прочный композит, они представляют значительные проблемы при подготовке высококачественных образцов для изучения характеристик, — сказал Вахью Сетяван, специалист по вычислениям в PNNL и соавтор статьи. — Члены нашей команды проделали отличную работу, что позволило нам детально изучить структуру границ между фазами, а также постепенный переход химических связей на этих границах».
«Если такие двухфазные сплавы будут использоваться внутри ядерного реактора, необходимо оптимизировать их состав для обеспечения безопасности и долговечности», — сказал Хааг. Результаты исследования уже распространили в PNNL и в научно-исследовательском сообществе. В PNNL уже проводятся исследования по моделированию многоуровневых материалов для оптимизации структуры, химического состава и испытания прочности взаимосвязей разнородных материалов, а также экспериментальные исследования для наблюдения за тем, как эти материалы ведут себя при экстремальных температурах и в условиях облучения в термоядерном реакторе.
«Это значимый период для термоядерного синтеза, поскольку вновь возник интерес к этой области со стороны Белого дома и частных инвесторов. Исследования, которые мы проводим в поиске решений по материалам с целью продления срока эксплуатации, являются критически необходимыми для ускорения развертывания термоядерных реакторов», — сказал Сетяван.