Все дело в порах: разработан композитный материал для термоядерного реактора

Для самых теплонагруженных, обращенных к плазме компонентов токамака c реакторными технологиями, который хотят построить в Троицке, ученые Национального исследовательского технологического университета (НИТУ) «МИСиС» и Научно-исследовательского института электрофизической аппаратуры им. Ефремова (НИИЭФА) разработали уникальный материал.

Считается, что для защитной облицовки термоядерных реакторов больше всего подходит вольфрам. У него высокая температура плавления и низкая скорость ионной и тепловой эрозии. Однако из-за твердости и хрупкости этот материал сложно механически обрабатывать. Обычно вольфрамовые изделия получают методом порошковой металлургии, но сложнопрофильные детали таким образом не изготовить. Ученые предложили аддитивную технологию: вырастить на подложке из монолитного вольфрама пористую вольфрамовую матрицу и пропитать ее медью.

Рецепт композита

«Все началось с фундаментального исследования. Мы изучали вопросы пропитки пористых структур различными расплавами, — рассказывает заведующий лабораторией катализа и переработки углеводородов НИТУ «МИСиС» Станислав Чернышихин. — Выбрали систему вольфрам — медь, потому что в ней нет промежуточных фаз или соединений. Эксперимент удался, пористые структуры показали способность хорошо пропитываться. Затем мы познакомились с коллегами из НИИЭФА, организации — главного конструктора термоядерных реакторов в России. Они планировали похожий материаловедческий проект. Так наши интересы сошлись».

Вольфрамовую матрицу получают селективным лазерным плавлением. Для равномерного расплава обязательно нужен порошок не с оскольчатыми, а со сферическими частицами. «Мы печатаем пористую структуру. В вакуумной печи на нее кладут кусочки меди, и при расплавлении происходит инфильтрация меди»,— объясняет Станислав Чернышихин. Получается материал, сочетающий высокую прочность и пластичность и имеющий среднее между медью и вольфрамом значение теплопроводности.

Интерес к градиентам

Преимущества новой технологии описал начальник научно-исследовательского отделения «Энергонапряженные многослойные компоненты» НИИЭФА Павел Пискарев: «Традиционная технология позволяет получить изделие заданной пористости со случайной, непериодической структурой. Наш метод дает послойно оптимизированную функционально-градиентную структуру за счет объемной гироидной решетки с управляемой геометрией пор».

«Нас больше всего интересуют градиенты, чтобы переход из вольфрама в медь был плавным, а не в один слой, как в классических компонентах,— дополняет Станислав Чернышихин.— Материал начинается со 100%-го вольфрама, потом соотношение меняется: 80 на 20, 50 на 50 и т. д.— плавно переходит в теплоотводящую медь. Так увеличивается зона контакта компонентов. Ожидается, что термоциклический ресурс у такого композита будет выше, чем у классического».

Выдержать испытания

Изготовленные по новой методике образцы прошли механические испытания, измерения температуропроводности методом лазерной вспышки и микроскопические исследования. «Относительная плотность нашего вольфрама в композите — 96,7%. Это очень хороший показатель», — отмечает Станислав Чернышихин.

Теперь нужно проверить на термоциклическую усталость макеты. Этим займется НИИЭФА. «Испытания будут проходить на нашем стенде «Цефей-М». Мощная электроннолучевая пушка создаст циклическую поверхностную тепловую нагрузку от плазмы на макете с интенсивным водяным охлаждением», — поясняет Павел Пискарев.

Оптимизация технологии продолжается. «Есть мысли немного изменить пористую структуру композита. Соотношение 50% вольфрама и 50% меди можно получить двумя способами: сделать поры большими и редкими или маленькими и частыми. Например, мы увидели, что уменьшение пор выгодно для механических свойств», — говорит Станислав Чернышихин.

В этом году НИИЭФА и НИТУ «МИСиС» планируют еще одну совместную «термоядерную» работу — освоить наплавку бронзы на сталь для элементов первой стенки токамака, подверженных более слабым тепловым потокам.

СПРАВКА

Новый российский токамак с реакторными технологиями (ТРТ) задуман как термоядерная установка с длинным импульсом разряда, сильным магнитным полем и электромагнитной системой из высокотемпературного сверхпроводника. На сегодня готов эскизный проект.

ТРТ предназначен для исследования квазистационарных физических процессов в обоснование опытного термоядерного реактора; исследования поведения плазмы в режимах, близких к зажиганию; исследования и отработки методов дополнительного нагрева плазмы; разработки диагностических систем; освоения тритиевой технологии.