Исследователи сообщают о металлических сплавах, которые могут поддерживать энергию ядерного синтеза

Apr 22, 2024

24 января 2023 г.

Эта статья была проверена в соответствии с редакционным процессом и политикой Science X. Редакторы выделили следующие атрибуты, гарантируя при этом достоверность контента:

проверенный фактами

рецензируемое издание

надежный источник

корректура

Сара Вонг, Тихоокеанская северо-западная национальная лаборатория

В конце 2022 года исследователи из Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса объявили, что впервые наблюдали чистый прирост энергии за счет ядерного синтеза. Эта монументальная веха на пути к термоядерной энергетике представляет собой огромный шаг вперед в обеспечении наших домов и предприятий источником энергии с нулевым выбросом углерода. Но преобразование этого научного достижения в практический источник энергии также требует новых технологий, которые сделают общество, основанное на термоядерном синтезе, реальностью.

Ученые из Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории (PNNL), а также Политехнического института и государственного университета Вирджинии (Технологический институт Вирджинии) помогают достичь этой цели посредством своих усилий по исследованию материалов. Их недавняя работа, опубликованная в журнале Scientific Reports, обосновывает необходимость тяжелых вольфрамовых сплавов и показывает, как их можно улучшить для использования в современных термоядерных реакторах, имитируя структуру морских ракушек.

«Это первое исследование, в котором наблюдаются границы раздела материалов на таких малых масштабах», — сказал Джейкоб Хааг, первый автор исследовательской работы. «При этом мы выявили некоторые фундаментальные механизмы, которые определяют прочность и долговечность материала».

Солнце с температурой ядра около 27 миллионов градусов по Фаренгейту питается за счет ядерного синтеза. Таким образом, неудивительно, что реакции термоядерного синтеза выделяют много тепла. Прежде чем ученые смогут использовать энергию термоядерного синтеза в качестве источника энергии, им необходимо создать усовершенствованные термоядерные реакторы, способные выдерживать высокие температуры и условия облучения, сопровождающие реакции термоядерного синтеза.

Из всех элементов на Земле вольфрам имеет одну из самых высоких температур плавления. Это делает его особенно привлекательным материалом для использования в термоядерных реакторах. Однако он также может быть очень хрупким. Смешивание вольфрама с небольшим количеством других металлов, таких как никель и железо, создает сплав, который более прочный, чем один вольфрам, сохраняя при этом высокую температуру плавления.

Не только их состав придает этим тяжелым вольфрамовым сплавам такие свойства — термомеханическая обработка материала может изменить такие свойства, как прочность на разрыв и вязкость разрушения. Особая технология горячей прокатки позволяет получить в тяжелых вольфрамовых сплавах микроструктуры, имитирующие структуру перламутра, также известного как перламутр, в морских ракушках. Известно, что перламутр обладает необычайной прочностью в дополнение к своим красивым переливающимся цветам. Исследовательские группы PNNL и Технологического института Вирджинии исследовали эти тяжелые вольфрамовые сплавы, имитирующие перламутр, на предмет потенциального применения в ядерном синтезе.

«Мы хотели понять, почему эти материалы демонстрируют почти беспрецедентные механические свойства в области металлов и сплавов», — сказал Хааг.

Чтобы поближе познакомиться с микроструктурой сплавов, Хааг и его команда использовали передовые методы определения характеристик материалов, такие как сканирующая трансмиссионная электронная микроскопия для наблюдения за атомной структурой. Они также нанесли на карту наноразмерный состав границы раздела материалов, используя комбинацию энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии и атомно-зондовой томографии.

Внутри структуры, напоминающей перламутр, тяжелый вольфрамовый сплав состоит из двух отдельных фаз: «твердой» фазы, состоящей из почти чистого вольфрама, и «пластичной» фазы, содержащей смесь никеля, железа и вольфрама. Результаты исследований показывают, что высокая прочность тяжелых вольфрамовых сплавов обусловлена ​​превосходной связью между разнородными фазами, включая тесно связанные «твердые» и «пластичные» фазы.