Термоядерные реакторы, являющиеся перспективным источником устойчивой энергии, требуют современных материалов, способных выдерживать экстремальные температуры и агрессивные среды, создаваемые жидкометаллическими охлаждающими жидкостями, такими как литий и литий-свинцовый сплав (LiPb). Эти охлаждающие жидкости необходимы в термоядерных реакторах для выделения тепла и образования трития, но их коррозионная природа угрожает целостности используемых конструкционных материалов. LiPb особенно агрессивен, поскольку содержит высокую концентрацию лития, который вступает в реакцию с конструкционными материалами, вызывая коррозию и разрушение материала с течением времени.

Сплавы ODS FeCrAl, известные своей превосходной прочностью при высоких температурах и коррозионной стойкостью, были предложены в качестве перспективных кандидатов для термоядерных реакторов и других высокотемпературных применений, таких как системы концентрированной солнечной энергетики. Эти сплавы основаны на образовании защитных оксидных слоев, таких как α-Al₂O₃, который обеспечивает стабильность и долговечность при высоких температурах. Однако в жидкой среде LiPb химическое взаимодействие между сплавом и охлаждающей жидкостью вызывает опасения по поводу стабильности и долговечности этих защитных слоев.

С этой целью группа исследователей из Токийского научного института (Science Tokyo) во главе с доцентом Масатоши Кондо в сотрудничестве с Национальным университетом Йокогамы, Японским отделом разработки ядерного топлива и исследовательским отделом Национального института термоядерного синтеза (National Institute for Fusion Science) провели коррозионные испытания оксидных слоев, сформированных на сплавах ODS FeCrAl, при длительном воздействии воздействие текущей жидкости LiPb при повышенных температурах. Их исследование было опубликовано в журнале Наука о коррозии 17 сентября 2024 года.

Исследователи провели коррозионные испытания с использованием двух типов сплавов ODS FeCrAl: SP10 и NF12. Испытания проводились как в статических условиях, так и в режиме перемешивания при температуре 873 К для моделирования реалистичных сценариев в системах охлаждения термоядерных реакторов. Они использовали передовые методы металлургического анализа, включая сканирующую просвечивающую электронную микроскопию в сочетании со спектроскопией потерь энергии электронов, чтобы исследовать состав и микроструктуру защитных оксидных слоев, образующихся на поверхностях сплавов.

Они обнаружили, что предварительно образованный α-Al₂O₃ слой эффективно подавлял первоначальную коррозию, но частично трансформировался в α-/γ-LiAlO₂ благодаря адсорбции лития. Интересно, что даже без предварительного окисления сплавы ODS на месте разработан прочный γ-ЛиАлО₂ слой, который служил самообразующимся защитным барьером. Микроструктурный анализ с использованием современной электронной микроскопии выявил проникновение лития в α-Al₂O₃ слоя, что приводит к химическому превращению. Несмотря на это, оба α-Al₂O₃ и γ-ЛиАлО₂ слои продемонстрировали высокую устойчивость к отслаиванию. Испытания на микроцарапины подтвердили, что эти слои прочно прилегают к поверхности сплава с минимальным разрушением даже при высоких термических нагрузках, вызванных затвердеванием LiPb.

"Долговечность слоя оксида лития и алюминия показывает, что эти сплавы могут прослужить дольше в условиях высоких температур и напряжений. Этот слой служит надежным экраном, который продолжает защищать компоненты реактора даже после первоначального износа", - объясняет Кондо.

По мере развития ядерных технологий эти результаты приближают нас на один шаг к разработке реакторов, которые могут безопасно работать в течение длительного времени, что делает более приемлемыми устойчивые источники энергии. "Наши результаты показывают, что сплавы ODS FeCrAl, обладающие способностью образовывать прочные защитные слои, могут сыграть жизненно важную роль в будущем термоядерных реакторов и других высокотемпературных энергетических систем", - говорит Кондо, подчеркивая важность проведенного исследования.