对于将在特罗伊茨克(Troitsk)建造的采用反应堆技术的热负荷最大、面向等离子体的托卡马克组件,国立研究技术大学(NITU)MISIS和叶夫列莫夫电物理设备研究所(NIIEFA)的科学家们开发出了一种独特的材料。
钨被认为是最适合用于聚变反应堆包壳的材料。它的熔点高,离子和热侵蚀率低。然而,由于其硬度和脆性,这种材料很难加工。钨产品通常采用粉末冶金法生产,但这种方法无法生产复杂的型材零件。科学家们提出了一种增材制造技术:在整体钨基体上生长多孔钨基体,并在其中浸渍铜。“一切都始于基础研究。NITU(MISIS)大学催化和碳氢化合物加工实验室主任斯坦尼斯拉夫-切尔尼什金说:"我们研究了各种熔体对多孔结构的浸渍。- 我们之所以选择钨-铜体系,是因为其中没有中间相或化合物。实验很成功,多孔结构显示出良好的浸渍能力。之后,我们遇到了来自俄罗斯核聚变反应堆主要设计机构 NIIEFA 的同事。他们正在计划一个类似的材料科学项目。就这样,我们的兴趣走到了一起。钨基体是通过选择性激光熔化生产的。为了获得均匀的熔体,必须使用球形而非碎裂颗粒的粉末。“我们打印出一种多孔结构。Stanislav Chernyshikhin 解释说:"在真空炉中,铜片被放置在上面,铜在熔化过程中发生渗透。这种材料兼具高强度和延展性,平均导热值介于铜和钨之间。NIIEFA “高能应力多层组件 ”研究部主任 Pavel Piskarev 描述了新技术的优势:"传统技术可以获得具有随机、非周期性结构的给定孔隙率产品。而我们的方法则是通过控制孔隙几何形状的体积陀螺晶格,逐层优化功能梯度结构"。斯坦尼斯拉夫-切尔尼什金补充说:"我们最感兴趣的是梯度,这样从钨到铜的过渡才会平滑,而不是像传统元件那样一层一层地过渡: 材料开始是 100%的钨,然后比例发生变化:80 比 20、50 比 50 等,然后顺利过渡到散热铜。元件的接触面积就是这样增加的。预计这种复合材料的热循环寿命将高于传统复合材料"。使用新技术制造的样品已经过机械测试、激光闪光扩散率测量和显微镜研究。“复合材料中钨的相对密度为 96.7%。这是一个非常好的指标",斯坦尼斯拉夫-切尔尼什金指出。
现在有必要对模型进行热循环疲劳测试。这项工作将由 NIIEFA 完成。“测试将在我们的 Cepheus-M 台架进行。Pavel Piskarev 解释说:"强大的电子束枪将在布局上产生来自等离子体的循环表面热负荷,并进行密集的水冷却。
技术优化仍在继续。
“可以考虑对复合材料的多孔结构稍加改动。50% 的钨和 50% 的铜的比例可以通过两种方式获得:使孔隙变大、变稀疏或变小、变多。斯坦尼斯拉夫-切尔尼什金说:"例如,我们已经看到,减少孔隙有利于提高机械性能。
今年,NIIEFA 和 NITU MISIS 计划联合开展另一项 “热核 ”工作—为暴露在较弱热流中的托卡马克第一壁的元件掌握钢包铜技术。
俄罗斯的新反应堆技术托卡马克(TRT)是一种热核设施,具有长放电脉冲、强磁场和高温超导体电磁系统。目前,初步设计已经完成。
TRT 旨在研究准稳态物理过程,以支持试验性热核反应堆;研究接近点火模式的等离子体行为;研究和开发额外等离子体加热方法;开发诊断系统;掌握氚技术。