Сотрудники кафедры «Физические проблемы материаловедения» НИЯУ МИФИ предложили технологию получения композита для перспективных термоядерных установок. Им удалось срастить вольфрамовую сетку со стальным основанием реактора в единый конструктивный элемент — задача, которая долгое время оставалась камнем преткновения для материаловедов.
Анна Абрамова
Фото: Rosatom
Рубеж, встречающий плазму
Внутренняя стенка термоядерного реактора — это граница, где установка сталкивается с раскалённой плазмой. Именно на этой поверхности исследователи пытаются воспроизвести условия, царящие в солнечных недрах. Неудивительно, что материал для участков, обращённых к плазме, — одна из самых острых проблем для проектировщиков будущих электростанций. От него зависит не только долговечность установки, но и сама возможность её длительной работы.
Вольфрам: рекордсмен по тугоплавкости
Сегодня главным претендентом на роль «облицовки» остаётся вольфрам. Он плавится при 3422 °C — рекордный показатель среди металлов, — а теплопроводность у него исключительно высока. Казалось бы, идеальный кандидат. Однако даже у такого стойкого материала есть уязвимое место.
Речь о срывах плазмы — моментах, когда на отдельные участки стенки за доли секунды выпадает колоссальная энергия. Твёрдый вольфрам в таких условиях не спасает. Здесь выручает концепция «жидкометаллической» защиты: тонкий слой жидкого лития при нагреве испаряется и формирует облако, которое принимает тепловой удар на себя, экранируя поверхность.
Вольфрамовая «губка» и капиллярный подъём
Чтобы литий поднимался к стенке сам, без насосов, применяют капиллярно-пористые структуры (КПС). По сути это вольфрамовая губка из спрессованных тонких проволочек: по капиллярам жидкий металл подтягивается из резервуара вверх, к плазме, и обновляется естественным путём. Такая схема избавляет от сложной гидравлики и делает систему надёжнее.
Проблема в том, чтобы надёжно посадить «губку» на стальную основу — корпус реактора. Эксперименты показали: ни точечная сварка, ни зажимы не обеспечивают нужного теплового контакта — структура перегревается, местами плавится и рушится. Наиболее перспективный путь — сделать основу и пористую структуру монолитом, частично пропитав губку расплавом, совместимым со сталью токамака.
Почему сталь не справляется
Именно здесь и возникают сложности. Сталь, привычная для конструкций токамаков, при контакте с вольфрамом образует хрупкий интерметаллид Fe₇W₆. Такая прослойка возникает на границе волокна и матрицы, а из-за несовпадения коэффициентов теплового расширения трещины, заполненные сталью, распространяются дальше вглубь материала.
Коллектив кафедры физических проблем материаловедения НИЯУ МИФИ — Н. С. Попов, А. Н. Сучков, М. Ю. Жарков и их коллеги — проверил два способа пропитки пористой вольфрамовой структуры расплавом: литьё в медную изложницу и инфильтрацию погружением. Итог в обоих случаях одинаков: стальная матрица обрастает интерметаллидами, а вольфрамовое волокно частично растворяется. Уберечь волокно от расплава стали не удалось — покрытия неизбежно смываются, и интерметаллиды появляются вновь.
Подсказка от сплавов ВНЖ
Решение пришло со стороны уже известных сплавов ВНЖ (вольфрам-никель-железо). Более ранние работы показали: если заменить сталь сплавом, где соотношение никеля и железа близко к 2:1 (66 атомных процентов Ni и 34 — Fe), вольфрам перестаёт давать хрупкие интерметаллиды и растворяется в пластичном твёрдом растворе.
Такой композит — WNi34Fe — удалось получить литьём. В его структуре нет ни хрупких интерметаллидных прослоек, ни трещин на межфазной границе, хотя коэффициенты теплового расширения компонентов заметно расходятся. Зато доля вольфрама доходит до 42 объёмных процентов — существенно больше, чем у стальных аналогов, где она держится около 25 %.
«Бутерброд», устойчивый к перегреву
«Сплав Ni34Fe — оптимальный материал матрицы композита. В его структуре нет ни хрупких прослоек, ни трещин, а содержание стойкого к высоким температурам вольфрама значительно выше, чем в стальных аналогах. По сути, мы придумали промежуточную прослойку между стальным корпусом реактора и вольфрамовой структурой. Получилось что-то вроде бутерброда, который не будет перегреваться и разрушаться внутри реактора», — поясняет инженер кафедры «Физические проблемы материаловедения» НИЯУ МИФИ Никита Попов.
Что предстоит сделать
Работа, поддержанная грантом Российского научного фонда, подтвердила главное: изготовить цельный монолитный блок «вольфрамовая пористая структура — металлическая матрица», присоединяемый напрямую к стальному корпусу реактора с каналами охлаждения, в принципе реально. Лучше всего для этого подходит инфильтрация погружением — метод, дающий контроль над температурой расплава, нагревом образца и длительностью взаимодействия.
Дальше предстоит отточить параметры процесса, чтобы минимизировать растворение вольфрамового волокна и появление нежелательных фаз. По сути, речь идёт о тонкой настройке технологии, от которой зависит прочность и ресурс будущих деталей. Но направление поиска уже ясно: там, где не справляется сталь, выручает никель-железный сплав.
Термоядерная энергетика — дело неблизкого будущего, и путь к ней лежит через десятки материаловедческих решений. Но каждый подобный шаг приближает день, когда на Земле зажжётся маленькое солнце. А до тех пор учёным предстоит решать задачи вроде той, что стоит за «бутербродом» из вольфрама и никель-железного сплава: сделать так, чтобы материал выдерживал то, что не под силу обычной стали.
Ранее корреспондент журнала «Химагрегаты» рассказывал, как специалисты из Германии разработали вольфрамовую защиту для термоядерных реакторов.
