Практическая термоядерная энергия — это не просто мечта в Окриджской национальной лаборатории Министерства энергетики. Эксперты в области термоядерного синтеза и материаловедения работают вместе, чтобы разработать решения, которые сделают возможным создание пилотной термоядерной установки и, в конечном счете, безуглеродного, изобилующего термоядерного электричества.

Как глава отдела термоядерной науки, технологий и инженерии лаборатории, Чак Кессел знаком с проблемами материалов, которые необходимо решить при строительстве электростанции. Кесселу не нужно было искать помощника, кроме Брюса Пинта, главы группы исследований и технологий ORNL по изучению коррозии.

Пинт десятилетиями изучает коррозионностойкие, высокотемпературные материалы для производства электроэнергии. Его работа была сосредоточена в основном на коррозии и окислении газов и металлов или сплавов для угольных, газовых и атомных электростанций. Изучение агрессивных жидкостей в контексте термоядерной энергии представляет собой другую и более сложную задачу.

«Во всем этом есть немного науки и немного искусства», — сказал Пинт.

Одна из важнейших задач термоядерного синтеза заключается в том, как производить и извлекать тритий, тяжелый изотоп водорода, который вместе со своим более легким родственником дейтерием будет служить топливом для термоядерных реакторов завтрашнего дня.

В реакции синтеза эти изотопы нагреваются до температур, подобных солнцу, в плазме, где они сталкиваются, образуя гелий и нейтрон, высвобождая энергию в виде кинетической энергии. Направляя эти ускоряющиеся нейтроны на более распространенный металлический литий, ученые могут производить тритий внутри самого реактора.

Многообещающая стратегия производства трития в термоядерном реакторе включает в себя прохождение жидкого свинцово-литиевого сплава через «одеяло» реактора — внутренние стенки, изготовленные из специальной стали со вставками каналов для потока из карбида кремния . Однако есть одна загвоздка: продолжающийся поток свинцово-литиевого сплава будет постепенно разъедать сталь. Сведение к минимуму этой коррозии является важным шагом для жизнеспособной термоядерной электростанции.

«Этот тип одеяла с протекающим через него жидким размножителем, разъедающим эти материалы, принципиально ограничен этим механизмом коррозии», — сказал Кессель.

Мари Ромеденн, которая изучала жидкие металлы для получения докторской степени и присоединилась к ORNL в 2019 году, помогает Пинту и узнает больше об экспериментальных методах ORNL с жидкими металлами , которые используются с 1950-х годов.

На скорость коррозии влияют многие факторы, в том числе состав открытых материалов; как долго он выставлен; как быстро течет жидкость; сильные магнитные поля , используемые для контроля и удержания плазмы; температура; и примесей в системе. Эта проблема с коррозией дала Пинту и Ромеденну возможность наметить несколько экспериментов, призванных распутать эти факторы, приблизившись к условиям реального термоядерного реактора.

Команда построила серию контуров потока, которые тестировали материалы в различных условиях, включая температуры до 700 градусов по Цельсию. Внутрь петли ученые вставили образцы стали, аналогичные тем, которые будут использоваться для компонентов термоядерного устройства, а также образцы карбида кремния. В соответствии с современными конструкциями плавки карбид кремния снижает перепад давления в потоке свинца-лития за счет электрической изоляции жидкости от стальных стенок. Этот подход поддерживает сосуществование и взаимодействие трех материалов, а свинец-литий является посредником между сталью и карбидом кремния.

После каждого 1000-часового эксперимента образцы проверяли, чтобы увидеть, стали ли они хрупкими и сколько массы было потеряно из-за растворения в жидком свинце лития или, наоборот, добавления вновь образованных соединений.

В первом эксперименте Пинт и Ромеденн обнаружили, что железо и хром из стали растворялись в жидкости, которая затем реагировала с образцами карбида кремния с образованием интерметаллических соединений, силицидов, карбидов железа и хрома. По мере того как эти вновь образованные соединения протекали по контуру, они накапливались на образцах карбида кремния в более холодном конце контура, в результате чего образовывался относительно толстый слой.

«На самом деле это было довольно впечатляюще — толщина в пару сотен микрон», — сказал Пинт. «Я думал, что он может немного отреагировать. Я не ожидал, что он отреагирует так сильно».

Пинт и Ромеденн также обнаружили, что снижение высокой температуры контура с 700 до 650 градусов по Цельсию приводит к гораздо более медленному накоплению новообразованных соединений.

«Если у вас есть только карбид кремния и нет источника железа и хрома для добавления в жидкость, вы не увидите этой реакции», — сказал Пинт. «Никто раньше не собирал все части воедино».

Поскольку железо и хром реагировали с карбидом кремния, свинец-литий резко корродировал стальные образцы. «Они едва были там после того, как тест закончился», — сказал он.

Во втором эксперименте команда покрыла сталь тонким слоем алюминия, чтобы защитить ее от агрессивной жидкости, впервые это было сделано в эксперименте с потоком. Результаты, по словам Пинта, были обнадеживающими.

«Коррозия все еще происходит, даже когда мы пытались максимально все застегнуть», — сказал Пинт. «Но мы перешли на более управляемый уровень. Ни один из наших образцов стали с покрытием не подвергся существенной деградации».

В предстоящих экспериментах Пинт и Ромеденн планируют использовать более тонкий слой алюминия, чтобы свести к минимуму количество этого элемента, попадающего в систему. Они также планируют удвоить продолжительность экспериментов до 2000 часов, чтобы лучше изучить рост слоя реагентов на холодной стороне контура.

Чтобы выйти за пределы своих экспериментальных циклов, Romedenne использует модели и симуляции для прогнозирования коррозионного срока службы термоядерных материалов при промышленной продолжительности — 50 000 часов или более. Но для проверки и улучшения этих моделей необходимы постоянные эксперименты и новые среды тестирования.

Сейчас Кессель закладывает основу для разработки усовершенствованного контура потока, в котором будут использоваться магниты, помогающие измерять влияние магнитных полей на скорость коррозии.

«Мы хотим создать как можно более прототипическую среду, чтобы мы могли идентифицировать, демонстрировать и оптимизировать реальные решения для пилотной термоядерной установки», — сказал Кессель.