Новый класс современных сталей требует более точной настройки перед использованием в компонентах систем для термоядерного синтеза — более устойчивой альтернативы ядерному расщеплению, которая объединяет легкие атомы, а не расщепляет тяжелые. Этот сплав, известный как RAFM-сталь (сталь с пониженной активацией), представляет собой разновидность ферритной/мартенситной стали, содержащей миллиарды наноразмерных частиц карбида титана. Эти частицы поглощают излучение и удерживают образующийся гелий, что критично для функционирования компонентов термоядерной энергетической системы.

При воздействии радиации и высоких концентрациях гелия, характерных для термоядерного синтеза, карбид титана изначально эффективно удерживает гелий. Однако при высоких уровнях повреждения частицы начинают растворяться, что приводит к разбуханию сплава и потенциальному повреждению компонентов системы.

Первое систематическое исследование, проведенное инженерами Мичиганского университета, было опубликовано в журналах Acta Materialia и Journal of Nuclear Materials. "Эти результаты представляют собой одни из самых точных данных по радиационной стойкости сталей и будут служить основой для будущей разработки сплавов и уточнения моделей радиационного воздействия," — отметил Кевин Филд, профессор ядерной инженерии и радиологических наук, старший автор исследований.

На данный момент крупномасштабные термоядерные системы были продемонстрированы только в нескольких современных национальных лабораториях, включая Ливерморскую национальную лабораторию в Калифорнии. Несмотря на большой интерес к термоядерной энергетике, технология еще не готова к коммерческому использованию. В США в настоящее время работает более 90 ядерных реакторов деления, которые являются стабильным источником углеродно-нейтральной энергии. Тем не менее, термоядерный синтез рассматривается как более устойчивый вариант, так как использует изотопы водорода, которые можно добывать из различных источников, включая морскую воду.

Термоядерная энергетика также предлагает преимущества в плане безопасности: при её использовании образуются гелий и короткоживущие радиоактивные отходы, которые легче утилизировать по сравнению с долгоживущими отходами, образующимися в результате деления. Если система термоядерного синтеза выходит из строя, реакция просто прекращается, что исключает риск ядерного распада.

Однако термоядерные системы требуют нагрева до 100 миллионов градусов Цельсия — значительно выше температуры поверхности Солнца, в то время как компоненты, такие как сталь RAFM, могут нагреваться до 600 °C. Кроме того, нейтроны, образующиеся в ходе реакции, могут взаимодействовать с материалами, создавая гелий, который в высоких концентрациях может вызывать разбухание и деформацию.

Исследователи Мичиганского университета провели комплексные эксперименты, используя ускоритель частиц для одновременной бомбардировки образцов стали ионами железа и ионами гелия. Это позволило более точно смоделировать условия термоядерного синтеза. Ученые могли регулировать уровни радиационного повреждения, концентрацию гелия и температуру, чтобы лучше понять поведение материала в зависимости от условий.

В частности, исследовательская группа протестировала новый класс железохромистой стали (Fe-9Cr), известный как castable nanostructured alloy #9 (CNA9), разработанный специалистами Oak Ridge National Laboratory. Этот сплав нового поколения способен удерживать высокую плотность карбидов титана.

После облучения образцы были исследованы с помощью электронной микроскопии для характеристики карбида титана и пузырьков гелия на наноуровне. Частицы карбида титана удерживали некоторое количество гелия на своей поверхности, особенно при температуре около 500 °C. Однако гелий, который не был захвачен, образовал пузырьки внутри стали, что привело к разбуханию сплава на 2% при высоких уровнях радиации.

Хотя осадки карбида титана проявили некоторую стабильность при температурах 500-600 °C и низких уровнях радиации, они полностью растворялись при более высоких уровнях повреждения (от 50 до 100 дпа), независимо от температуры. Эти результаты указывают на то, что текущая конструкция сплава может снизить радиационную стойкость в начале срока службы термоядерного реактора.

Исследователи планируют улучшить сталь, увеличив плотность карбида титана в 1000 раз для более эффективного предотвращения разбухания, а также провести дополнительные испытания с различными скоростями ионного пучка, чтобы лучше имитировать условия термоядерного синтеза. "Преимущества связывания карбидов титана с атомами гелия подчеркивают их полезную роль в новых сталях CNA, и результаты подчеркивают необходимость разработки более стабильных выделений карбида титана," — добавил Ин Ян, научный сотрудник Национальной лаборатории Окриджа и соавтор исследований.

Материалы были изучены в Мичиганской лаборатории ионного пучка и Мичиганском центре определения характеристик материалов при участии лаборатории НОМА.