Фон

Термоядерные реакторы активно разрабатываются во всем мире как форма устойчивой энергии с нулевым выбросом углерода, поскольку их топливо может быть извлечено из неисчерпаемых запасов морской воды. Кроме того, они не выделяют парниковых газов. В дополнение к строительству токамака (ИТЭР), который возводится благодаря сотрудничеству семи ведущих стран и регионов мира (Япония, ЕС, Соединенные Штаты, Южная Корея, Китай, Россия и Индия), ускоряется разработка термоядерного синтеза частным сектором.

Одним из наиболее важных компонентов в этих термоядерных реакторах является дивертор, компонент, который газифицирует примеси в плазме и направляет газ в выхлопной насос. Во время работы термоядерного реактора некоторые конструктивные компоненты дивертора подвергаются чрезвычайно большим тепловым нагрузкам на том же уровне, что и "космический челнок при входе в атмосферу". Исследователи работают над разработкой твердого дивертора, в котором блок из термостойкого материала, такого как вольфрам, помещается в контакт с плазмой и охлаждается высокотемпературной водой под высоким давлением. Эта твердотельная диверторная система также используется в проекте ИТЭР и прототипах термоядерных реакторов. И наоборот, в качестве инновационного механизма, способного выдерживать большую тепловую нагрузку от плазмы, исследователи также рассмотрели концепцию жидкометаллического дивертора, который защищает дивертор от плазмы, покрывая конструкционный материал дивертора жидким металлом, обладающим отличными характеристиками охлаждения.

Олово (Sn) - это металл, который по-разному используется в нашей повседневной жизни; например, в качестве материала для посуды и в качестве компонента припоя. Олово имеет относительно низкую температуру плавления 232 °C и подходит для использования в жидком состоянии. Еще одним свойством олова является то, что давление его паров при высоких температурах ниже, чем у других жидких металлов. Когда жидкое металлическое олово используется в качестве хладагента для покрытия и защиты поверхности конструкционного материала жидкометаллического отводящего устройства термоядерного реактора, его трудно испарять, даже если оно нагревается плазмой и достигает высокой температуры. Он также обладает тем преимуществом, что испаренный металл с меньшей вероятностью смешивается с плазмой. Однако коррозия конструкционных материалов является технической проблемой, которая беспокоит исследователей.

Результаты исследования

Лаборатория Кондо сосредоточилась на химическом сосуществовании с различными структурными и функциональными материалами. Лаборатория уделила особое внимание жидкометаллическим охлаждающим жидкостям, привлекающим внимание в области энергетики следующего поколения, такой как термоядерные реакторы. Исследователи сосредоточились на жидком металлическом олове, которое обладает неудобным свойством быть высокореактивным при высоких температурах. Они работали над выяснением механизма коррозии конструкционных материалов термоядерных реакторов и поиском материалов, обладающих коррозионной стойкостью.

1. Что такое высокотемпературное жидкое металлическое олово и что вызывает его сильную коррозию?

Ферритно-мартенситный сплав с пониженной активацией (Fe-9Cr-2W-0.1C), который является основным конструкционным материалом-кандидатом для термоядерных реакторов, основан на составе ферритно-мартенситной жаропрочной стали. Ферритный мартенсит с пониженной активацией использует аддитивные элементы, которые снижают индуцированную радиоактивность, предполагая использование в среде нейтронного облучения в реакторе. Когда ферритно-мартенситная сталь с пониженной активацией вступает в контакт с жидким металлическим оловом, период инкубации до начала коррозии очень короткий. Исследователи определили, что сталь содержит железо (Fe), которое вступает в реакцию с высокотемпературным оловом, вызывая коррозию материала и быстро образуя интерметаллические соединения (FeSn₂ и т.д.) на жестяной банке. Помимо содержания железа, ферритно-мартенситная сталь с пониженной активацией также содержит такие элементы, как хром и вольфрам, которые нелегко вступают в реакцию с оловом. Следовательно, сталь имеет более низкую скорость коррозии, чем у чистого железа. Однако через десять дней при температуре 500°C сталь образует интерметаллическое соединение толщиной около 155 микрометров и подвергается коррозии. При экстраполяции этих цифр на один год толщина может достигать порядка миллиметров, что является очень высокой скоростью коррозии. При 600 ° C исследователи обнаружили, что истончение из-за коррозии стало еще более серьезным. В это время исследователи также обнаружили, что коррозия прогрессирует из-за внутренней диффузии олова в микроструктуру стали.

Адъюнкт-профессор Масатоши Кондо из Токийского технологического института, возглавляющий исследовательскую группу, дал следующее объяснение: "Хотя жидкое металлическое олово является отличным хладагентом с различными свойствами, у него есть недостаток, заключающийся в коррозии конструкционных материалов. Прояснив механизм коррозии, мы надеемся способствовать использованию жидкого металлического олова не только для термоядерной энергетики, но и для солнечных тепловых электростанций".

2. Какие материалы могут выдерживать высокотемпературное жидкое металлическое олово при высоких температурах?

Исследователи обнаружили, что конструкционные материалы на основе стали / железа подвергаются внешней и внутренней коррозии с образованием интерметаллических соединений при воздействии высокотемпературного жидкого металлического олова. Это происходит потому, что железо, основной компонент стали, вступает в реакцию с высокотемпературным жидким оловом. Поэтому исследователи предположили, что можно было бы предотвратить реакцию с высокотемпературным оловом, предварительно объединив железо с кислородом для образования оксида перед реакцией. Развивая эту теорию, исследователи протестировали оксид железа (Fe₂O₃) и оксид хрома (Cr₂O₃) для совместимости с жидким оловом при температуре 500°C. При погружении спеченного материала из оксида железа олово частично проникало в поры, которые образовались при обжиге. Однако толщина реакционной структуры с оловом на поверхности материала составляла около 1 микрометра. Это была чрезвычайно тонкая реакция, которая составляет всего около 1% от реакции ферритной стали с пониженной активацией. Более того, при исследовании спеченного материала оксида хрома можно видеть, что реакционная структура с оловом на поверхности очень тонкая. Таким образом, исследователи обнаружили, что даже такой металлический элемент, как железо, который легко вступает в реакцию с оловом, может быть значительно подавлен предварительной реакцией с кислородом с образованием оксида.

"Рабочая среда дивертора жидкого олова в термоядерном реакторе находится в чрезвычайно жестких условиях, в которых коррозия жидким оловом и облучение термоядерными нейтронами накладываются друг на друга", - объяснил профессор Кондо, который руководит исследованиями японской команды в рамках задачи 3 Программы научно-технического сотрудничества США и Японии: Проект FRONTIER.). "В этом проекте мы сотрудничаем с членами проектной группы из Национальной лаборатории Ок-Риджа в Соединенных Штатах, чтобы исследовать влияние радиации на динамику коррозионной реакции стали с жидким оловом", - добавил он.

Открытия, обсуждаемые в этой статье, прояснили причину и механизм коррозии жидкого металлического олова, которое обладает относительно сильной коррозионной активностью. Это исследование внесет значительный вклад в достижение углеродно-нейтрального общества, оказывая помощь в разработке высоконадежного современного теплоприемного оборудования для термоядерных реакторов.