Coraz bliżej nowych powłok przyszłych reaktorów termojądrowych

Fuzja jądrowa coraz bliżej? Nowe powłoki reaktorów

Fuzja jądrowa to marzenie naukowców z całego świata. Dzięki ostatnim postępom uczonym z Oak Ridge National Laboratory jesteśmy coraz bliżej budowy pilotażowej elektrowni termojądrowej.

Jednym z najważniejszych wyzwań związanych z osiągnięciem fuzji jądrowej jest sposób produkcji i odzyskiwania trytu – izotopu wodoru, który wraz z deuterem będzie służył za paliwo termojądrowe. Można wytwarzać tryt w samym reaktorze wykorzystując lit, ale z procesem tym jest pewien problem: przepływ litowo-ołowiowy stopniowo niszczy stal. Zminimalizowanie korozji jest kluczowym krokiem na drodze do stworzenia działającej elektrowni termojądrowej. Naukowcy kierowani przez Bruce’a Pinta z Corrosion Science and Technology Group Oak Ridge National Laboratory stworzyli innowacyjną powłokę, która może wypełnić przyszłe reaktory termojądrowe.

Na szybkość korozji wpływa wiele czynników, w tym skład eksponowanych materiałów, czas ekspozycji, szybkość przepływu cieczy, silne pola magnetyczne wykorzystywane do kontrolowania i ograniczania plazmy, temperatura oraz zanieczyszczenia w układzie. Wyzwanie związane z korozją dało naukowcom szansę na przeprowadzenie kilku eksperymentów mających na celu rozszyfrowanie tych czynników przy jednoczesnym zbliżeniu się do warunków panujących w rzeczywistym reaktorze termojądrowym.

Czytaj też: Fuzja jądrowa „wymyślona” na nowo. Naukowcy ulepszyli podstawowe prawo fizyki

Zbudowano serię pętli przepływowych, w których badano materiały w różnych warunkach, w tym w temperaturach do 700oC. Wewnątrz pętli naukowcy umieścili próbki stali podobnej do tej, z której wykonane są elementy urządzenia termojądrowego, oraz próbki węglika krzemu. Zgodnie z obecnymi projektami fuzji jądrowej, węglik krzemu zmniejsza spadek ciśnienia w przepływie litowo-ołowiowym poprzez elektryczną izolację płynu od stalowych ścianek. Takie podejście umożliwia współistnienie i wzajemne oddziaływanie trzech materiałów, przy czym warstwa litowo-ołowiowa pośredniczy pomiędzy stalą a węglikiem krzemu.

Po każdym eksperymencie trwającym 1000 godzin próbki badano i sprawdzano, czy stały się kruche i ile masy utraciły na skutek rozpuszczenia w ciekłym litowo-ołowiowej warstwie lub dodania nowo powstałych związków.

Zespół Pinta stwierdził, że żelazo i chrom pochodzące ze stali rozpuszczały się w cieczy, która następnie reagowała z próbkami węglika krzemu, tworząc związki międzymetaliczne, krzemki oraz węgliki żelaza i chromu. Gdy te nowo utworzone związki przepływały przez pętlę, gromadziły się na próbkach węglika krzemu w chłodniejszej części pętli, tworząc stosunkowo grubą warstwę.

Była ona dość spektakularna – miała grubość kilkuset mikronów. Myślałem, że może trochę reagować. Nie spodziewałem się, że aż tak bardzo. Jeśli masz tylko węglik krzemu i nie masz źródła żelaza i chromu, które można by dodać do cieczy, nie zobaczysz tej reakcji. Nikt wcześniej nie połączył wszystkich elementów w jedną całość.Bruce Pint

W drugim eksperymencie zespół pokrył stal cienką warstwą aluminium, aby uchronić ją przed żrącą cieczą – po raz pierwszy zrobiono to w eksperymencie przepływowym.

Korozja wciąż postępuje, nawet gdy staraliśmy się wszystko maksymalnie uszczelnić. Ale udało nam się ją ograniczyć do łatwiejszego do opanowania poziomu. Żadna z naszych powlekanych próbek stalowych nie uległa znaczącej degradacji.Bruce Pint

Zespół Pinta planuje zastosowanie cieńszej warstwy aluminium, aby zminimalizować ilość tego pierwiastka w systemie. Uczeni chcą też podwoić czas trwania eksperymentów do 2000 godzin. Aby odwzorować warunki panujące w reaktorze termojądrowym trzeba dokonać symulacji pracy urządzenia przez co najmniej 50 000 godzin.