Нет

Nov 26, 2023

Научные отчеты, том 5, Номер статьи: 16042 (2015) Цитировать эту статью

Знание изменения механических и физических свойств вследствие радиационного повреждения имеет важное значение для разработки будущих реакторов деления и термоядерного синтеза. Ионное облучение является отличным показателем для изучения радиационного повреждения, позволяя вводить высокие повреждающие дозы без активации образца. Ограниченная глубина проникновения ионов означает, что образуются только поврежденные слои толщиной в несколько микрон. Значительные усилия были направлены на исследование механических свойств этих тонких имплантированных слоев. Тем не менее, хотя их теплопереносные свойства являются ключевыми для проектирования реакторов, они остаются в значительной степени неисследованными из-за отсутствия подходящих методов измерения. Здесь мы демонстрируем бесконтактные измерения температуропроводности в ионно-имплантированном вольфраме для термоядерной брони. Легирование трансмутационными элементами и взаимодействие остаточного газа с дефектами, вызванными имплантацией, приводят к резкому снижению температуропроводности. Эти изменения хорошо фиксируются нашими подходами к моделированию. Наши наблюдения имеют важное значение для проектирования будущих термоядерных электростанций.

Ядерный синтез — идеальный устойчивый источник энергии. Основным препятствием на пути его коммерческого развития является доступность достаточно устойчивых материалов. Сплавы на основе вольфрама являются основными кандидатами на использование компонентов, обращенных к плазме, в будущих термоядерных реакторах с магнитным удержанием1. В демонстрационном (DEMO) реакторе они будут подвергаться воздействию высоких температур (~1500 К), облучению термоядерными нейтронами с энергией 14,1 МэВ и большим потоком энергичных ионов (до 15 МВтм-2)2,3. Высокая теплопроводность – один из основных критериев выбора материала4. Значительное ухудшение теплопроводности может привести к повышению температуры с потенциально катастрофическими последствиями для целостности термоядерной брони5.

Воздействие на термоядерную броню нейтронов с энергией 14,1 МэВ приводит к каскадному повреждению и трансмутационному легированию. Расчеты показывают, что после 5 лет эксплуатации исходно чистый вольфрам (W) в диверторе ДЕМО будет содержать до 4 атомных % рения (Re)6. Сплав W-5%Re имеет коэффициент температуропроводности при комнатной температуре вдвое ниже, чем у чистого вольфрама7,8. Количественная оценка влияния каскадного повреждения термоядерных нейтронов на теплопроводность является более сложной задачей. В качестве альтернативы рассматривался тепловой перенос в вольфраме, облученном нейтронами деления9,10. Уровень повреждения 0,6 смещения на атом (dpa), который должен был быть достигнут за 3 месяца в DEMO6, привел к снижению теплопроводности при комнатной температуре на 25%10.

Интересную роль играет гелий, образующийся в результате трансмутации6 и также имплантируемый из плазмы в вольфрамовую матрицу. При повышенных температурах гелий мигрирует с поверхности в объем и сильно взаимодействует с радиационными дефектами11, связываясь с вакансиями12,13 и подавляя их рекомбинацию с собственными межузельными атомами (СМА)14. Имплантация ионов гелия является эффективным инструментом для изучения этого взаимодействия15, и большие усилия были вложены в разработку микромеханических подходов, способных количественно оценить механические свойства микронных слоев, имплантированных ионами16,17,18.

Однако термические транспортные свойства слоев, поврежденных ионами, еще в значительной степени не изучены из-за отсутствия подходящих экспериментальных методов. В упомянутых выше источниках использовался либо метод лазерной вспышки8,9,10, либо измерения удельного электрического сопротивления7. Оба подходят только для объемных образцов. Недавно для количественной оценки теплового переноса в тонких, облученных ионами поверхностных слоях были предложены два новых подхода: метод 3-омега19 и измерения коэффициента теплового отражения20,21. Первый метод требовал нанесения на образец сложных поверхностных элементов и показал значительную экспериментальную неопределенность. Последнее требовало покрытия образцов, а глубина зондирования зависела от априорно неизвестного коэффициента температуропроводности.

Здесь мы представляем новый, совершенно иной подход к измерению свойств теплопереноса ионно-имплантированных материалов. Используя метод бесконтактной лазерно-индуцированной переходной решетки (TG)22, мы количественно определили температуропроводность в слоях вольфрама, имплантированного гелием, толщиной в несколько микрон. Эффект трансмутационного легирования имитируется при рассмотрении вольфрам-рениевых сплавов. В обоих типах образцов мы обнаруживаем существенные изменения температуропроводности. Они анализируются с использованием модели кинетической теории, что позволяет понять основное распределение дефектов. Наши результаты обсуждаются в свете современной практики проектирования будущих термоядерных реакторов.