Новый метаматериал может выдерживать температуру Солнца и способствовать термоядерному синтезу

Если термоядерная энергия когда-нибудь покинет экспериментальные залы и станет настоящим источником электричества, решение об этом примут не только физики плазмы, но и инженеры-материалисты. Именно они сегодня сталкиваются с одним из самых трудных пределов всей термоядерной технологии. Материалам в реакторе приходится выдерживать экстремальные тепловые потоки, огромные магнитные поля и постоянную бомбардировку частицами горячей плазмы. Крайне сложно объединить эти требования в одно проектное решение, сообщает он. Интересная инженерия.

Попытка объединить два элемента

Британский исследовательский проект DIADEM фокусируется на проблеме, банальной на первый взгляд, но на практике имеющей фундаментальное значение. Как соединить вольфрам и медь в одно функциональное целое, чтобы материал не распался за короткое время. Вольфрам идеально подходит для термоядерных реакторов из-за его чрезвычайно высокой температуры плавления и устойчивости к эрозии. С другой стороны, медь незаменима там, где необходимо быстро отводить огромное количество тепла от наиболее нагруженных частей реактора. Проблема в том, что эти два металла при нагревании ведут себя совершенно по-разному.

При классической сварке или литье в соединении создаются огромные внутренние напряжения. Различное тепловое расширение вызывает появление микротрещин, которые быстро превращаются в фатальные разрушения в среде термоядерного реактора. Именно поэтому до сих пор использовались сложные многослойные конструкции с механическими переходами, но они снижали эффективность охлаждения и сокращали срок службы компонентов.

ДИАДЕМА идет совершенно другим путем. Здесь используется передовое аддитивное производство, при котором вольфрам и медь не печатаются как два отдельных блока, а создаются одновременно слой за слоем. С помощью точного контроля лазерного плавления металлического порошка можно плавно изменять соотношение обоих металлов внутри микрометровых структур. В результате получается не классический сварной шов, а материал с постепенным переходом свойств, ведущий себя как единое целое.

Новый способ создания материалов

Созданные таким образом метаматериалы не имеют острых границ, на которых концентрировались бы напряжения. Тепловые потоки распределяются более равномерно, а механическая стабильность сохраняется даже при повторяющихся термических циклах. Это именно то, что имеет решающее значение для термоядерных реакторов, поскольку внутренние компоненты подвергаются как быстрым изменениям производительности, так и длительным нагрузкам.

С технологической точки зрения это фундаментальный сдвиг. Если эти материалы можно будет производить надежно и в больших объемах, это значительно упростится. строительство будущих реакторов как токамак, так и сферический токамак, как запланировано британской программой STEP. При этом сократятся затраты на техническое обслуживание и продлится срок службы наиболее дорогостоящих частей оборудования, таких как диверторы и первые стенки реактора.

Однако важность ДИАДЕМЫ выходит за рамки самого слияния. Возможность точного смешивания металлов с совершенно разными свойствами открывает путь к новым типам высокотемпературных теплообменников, авиационных двигателей или имплантатов, которые должны сочетать в себе прочность, теплопроводность и биосовместимость. Таким образом, энергия термоядерного синтеза вновь выполняет роль технологического катализатора, продвигающего материаловедение в такие области, куда она никогда бы не достигла без таких экстремальных требований.

Читайте больше из категории: Новости