Вчені представили нові матеріали для термоядерних реакторів

Чи можуть теорія та обчислювальні методи допомогти у пошуку найкращого диверторного матеріалу і, таким чином, зробити термоядерну енергію реальністю?

Вивчення ядерного синтезу як чистого джерела енергії виявляє критичну потребу в сучасних плазмових матеріалах. Дослідники лабораторії MARVEL визначили матеріали, які можуть витримати екстремальні умови термоядерного синтезу, і запропонували альтернативи вольфраму, поточному вибору.

Ядерний синтез і матеріальний виклик

Ядерний синтез пропонує багатообіцяюче рішення наших енергетичних проблем, потенційно забезпечуючи майже безмежне джерело енергії без викидів парникових газів. Однак залишаються значні технологічні перешкоди, особливо щодо матеріалів, необхідних для термоядерних реакторів. Ці реактори покладаються на матеріали, які можуть витримувати екстремальні умови на межі розділу плазми.

Проект ITER, експериментальний європейський реактор, який будується на півдні Франції, включає критичний компонент, який називається дивертором. Цей пристрій витягує тепло й попіл, що утворюються в результаті реакції термоядерного синтезу, і направляє інтенсивний потік тепла й частинок із плазми на певні поверхні для охолодження. Облицьовані плазмою матеріали дивертора повинні не тільки витримувати надзвичайно високі температури, але й витримувати безперервний шквал нейтронів, електронів, заряджених іонів і високоенергетичного випромінювання.

Для ITER для дивертора було обрано вольфрам через його виняткову термостійкість. Однак раніше розглядалися інші матеріали, такі як вуглецеві волокна та кераміка. Залишається відкритим питання, чи буде вольфрам і надалі найкращим вибором для майбутніх реакторів, оскільки дослідники продовжують досліджувати альтернативи, які могли б краще протистояти унікальним вимогам термоядерного синтезу.

Обчислювальний підхід лабораторії MARVEL

Чи можуть теорія та обчислювальні методи допомогти в пошуку найкращого диверторного матеріалу і, таким чином, зробити термоядерний синтез реальністю? Вчені з лабораторії MARVEL Ніколи Марзарі в EPFL вирішили відповісти на це запитання, і в новій статті в PRX Energy вони представляють метод широкомасштабного скринінгу потенційних матеріалів, спрямованих на плазму, і короткий список найбільш перспективних.

Перш за все, вчені повинні були знайти спосіб зробити обчислення доступними для лікування. «Для реалістичного моделювання динаміки на межі плазма-матеріал потрібно моделювати поведінку тисяч атомів протягом кількох мілісекунд, що було б неможливо зі звичайною обчислювальною потужністю», — каже Андреа Федрігуччі, докторант лабораторії THEOS і перший автор статті. «Тому ми вирішили вибрати кілька ключових властивостей, якими повинен володіти матеріал, що облицьовує плазму, і використати їх як показник того, наскільки добре цей матеріал може працювати на диверторі».

Спочатку вчені переглянули базу даних файлів Полінга, велику колекцію відомих неорганічних кристалічних структур, і створили робочий процес, щоб знайти ті, які мають достатній опір, щоб витримати температури в реакторі. Це можна зрозуміти, подивившись на їхню теплоємність, теплопровідність, температуру плавлення та щільність. Оскільки температура поверхні шару матеріалу залежить від його товщини, вони також обчислили максимальну товщину, яку кожен матеріал може мати перед плавленням, і відповідно ранжували матеріали. У випадку матеріалів, для яких не вдалося обчислити інформацію про максимальну товщину, вони використовували метод оптимізації Парето, щоб класифікувати їх відповідно до раніше згаданих властивостей.

Розпочинається процес відбору

Результатом став перший короткий список із 71 кандидата. На цьому етапі довелося використовувати дуже необчислювальний і старовинний метод.

«Я терпляче переглянув літературу по кожному з них, щоб перевірити, чи вони вже були протестовані та викинуті, чи є властивості, які перешкоджають їх використанню в термоядерному реакторі, і яких немає в базі даних, наприклад, схильність до ерозії. або погіршення їх теплових властивостей під час бомбардування плазмою та нейтронами».

Цікаво, що ця частина дослідження призвела до того, що деякі інноваційні матеріали, які нещодавно були запропоновані для застосування в термоядерних реакторах, наприклад сплави з високою ентропією, були відкинуті в якості диверторних матеріалів.

Остаточний відбір перспективних матеріалів

Зрештою залишився 21 матеріал, до якого був застосований робочий процес DFT для розрахунку двох ключових властивостей, якими повинен володіти хороший матеріал для плазмового термоядерного синтезу: поверхнева енергія зв’язку, яка є показником того, наскільки легко витягнути атом з поверхні. , і енергія утворення міжвузля водню, яка вимірює проксі розчинності тритію в кристалічній структурі.

«Якщо матеріал дивертора надмірно руйнується протягом терміну експлуатації, вивільнені атоми розсіюються в плазмі, що призводить до зниження її температури», — говорить Федрігуччі. «Крім того, якщо матеріал вступає в хімічну реакцію з тритієм, він може відняти тритій, доступний для термоядерного синтезу, і спричинити накопичення запасів тритію, що перевищує межі безпеки, встановлені для цього типу технології».

Зрештою, підсумковий рейтинг, заснований на всіх ключових властивостях, включає деякі звичайні підозрювані, які були ретельно перевірені: сам вольфрам у металевій (W) і карбідній формах (WC і W₂C), алмаз і графіт, нітрид бору та перехідний метали, такі як молібден, тантал і реній. Але було також кілька сюрпризів, таких як особлива фаза нітриду танталу або іншої кераміки на основі бору та азоту, які ніколи не тестувалися для цього застосування.

У майбутньому, за словами Федрігуччі, група сподівається використовувати нейронні мережі для кращого моделювання того, що насправді відбувається з матеріалами в реакторі, включаючи взаємодію з нейтронами, яку тут неможливо змоделювати.