Учёные кафедры «Физические проблемы материаловедения» НИЯУ МИФИ разработали технологию получения композитного материала для термоядерных реакторов будущего. Они придумали способ соединить вольфрамовую сетку и стальную основу конструкции реактора в единый элемент.
Стенка термоядерного реактора — установки, в которой учёные пытаются воспроизвести реакции, идущие в недрах Солнца, — подвергается воздействию потоков раскалённой плазмы. Именно поэтому выбор оптимального материала для поверхностей, обращённых к плазме, является одной из главных проблем конструкторов будущих электростанций. Сегодня самый популярный материал для таких поверхностей — вольфрам: у него рекордно высокая температура плавления (3422 °C) и отличная теплопроводность.
Однако у твёрдого вольфрама есть слабое место — срывы плазмы, при которых на отдельные участки стенки кратковременно обрушивается колоссальная энергия. Здесь помогает идея жидкометаллической защиты: если покрыть участок стенки тонким слоем жидкого лития, тот испаряется и создаёт облако, экранирующее поверхность от теплового удара. Чтобы литий сам поднимался на поверхность стенки, используют капиллярно-пористые структуры (КПС) — по сути, вольфрамовую губку из спрессованных тонких проволочек. Жидкий металл по капиллярам поднимается из резервуара вверх, к плазме, и обновляется естественным образом, без насосов.
Проблема в том, что такую губку нужно надёжно прикрепить к стальной основе — корпусу реактора. Точечная сварка и зажимы, как показали эксперименты, не обеспечивают хорошего теплового контакта: структура перегревается, локально оплавляется и разрушается. Идеальное решение — сделать основу и пористую структуру единым целым, частично пропитав вольфрамовую губку расплавом металла, совместимого со стальной основой токамака.
Здесь и начинаются сложности. Сталь — традиционный конструкционный материал токамаков — при контакте с вольфрамом образует хрупкий интерметаллид Fe₇W₆. Этот слой возникает на границе волокна и матрицы, а трещины, заполненные сталью, из-за разницы коэффициентов теплового расширения расползаются дальше.
Коллектив авторов кафедры физических проблем материаловедения НИЯУ МИФИ — Н.С. Попов, А.Н. Сучков, М.Ю. Жарков и их коллеги — испытал два метода заполнения пористой вольфрамовой структуры расплавом: литьё в медную изложницу и инфильтрацию погружением. Оказалось, что в обоих случаях стальная матрица содержит интерметаллиды, а вольфрамовое волокно частично растворяется. Задачу защиты волокна от расплава стали решить не удалось: покрытия неизбежно растворяются, и интерметаллиды снова выделяются.
Выход подсказали существующие сплавы ВНЖ (вольфрам-никель-железо). В предыдущих работах было показано: если вместо стали взять сплав с соотношением никеля и железа, близким к 2:1 (66 атомных процентов никеля и 34 — железа), то вольфрам не образует хрупких интерметаллидов, а растворяется в пластичном твёрдом растворе. Именно такой композит — WNi34Fe — и удалось получить методом литья. В его структуре нет ни хрупких интерметаллидных прослоек, ни трещин на границе фаз, несмотря на заметную разницу коэффициентов теплового расширения. При этом содержание вольфрама в таком композите достигает 42 объёмных процентов — значительно выше, чем в стальных аналогах (около 25 %).
Инженер кафедры «Физические проблемы материаловедения» НИЯУ МИФИ Никита Попов пояснил, что сплав Ni34Fe является оптимальным материалом матрицы композита: в его структуре нет хрупких прослоек и трещин, а содержание стойкого к высоким температурам вольфрама значительно выше, чем в стальных аналогах. По сути, исследователи придумали промежуточную прослойку между стальным корпусом реактора и вольфрамовой структурой — нечто вроде бутерброда, который не будет перегреваться и разрушаться внутри реактора.
Работа, поддержанная грантом Российского научного фонда, показала главное: создать единый монолитный блок «вольфрамовая пористая структура — металлическая матрица», который можно напрямую присоединить к стальному корпусу реактора с каналами охлаждения, принципиально возможно. И делать это лучше всего методом инфильтрации погружением, который позволяет контролировать температуру расплава, нагрев образца и время взаимодействия.