Μια νέα κατηγορία προηγμένου χάλυβα, σχεδιασμένη να αντέχει στις ακραίες συνθήκες μέσα σε έναν αντιδραστήρα ενέργειας σύντηξης, χρειάζεται περαιτέρω ανάπτυξη, αφού δοκιμές έδειξαν ότι διογκώνεται υπό υψηλά επίπεδα ακτινοβολίας. Το εύρημα προέρχεται από μια σειρά μελετών με επικεφαλής μηχανικούς του Πανεπιστημίου του Μίσιγκαν (U-M).
Οι δυνατότητες της σύντηξης
«Αυτά τα αποτελέσματα αντιπροσωπεύουν μερικά από τα αποτελέσματα με την υψηλότερη πιστότητα σχετικά με την ανοχή στην ακτινοβολία των χαλύβων που σχετίζονται με τη σύντηξη και θα καθοδηγήσουν την ανάπτυξη κραμάτων και τη βελτίωση των μοντέλων επιδράσεων της ακτινοβολίας για τα επόμενα χρόνια», δήλωσε ο Kevin Field, καθηγητής πυρηνικής μηχανικής και ακτινολογικών επιστημών και U-M και κύριος συγγραφέας των μελετών».
Η ενέργεια σύντηξης, η οποία συνδυάζει ελαφρά άτομα για την παραγωγή ενέργειας, διερευνάται ως μια καθαρότερη και πιο βιώσιμη εναλλακτική λύση σε σχέση με τη σχάση. Ωστόσο, η κατασκευή ενός αντιδραστήρα σύντηξης παρουσιάζει μια σημαντική μηχανική πρόκληση.
Τα εξαρτήματα πρέπει να αντέχουν σε θερμοκρασίες έως και 600°C και να είναι ανθεκτικά στη ζημιά από την ακτινοβολία και στην παραγωγή ηλίου, η οποία μπορεί να προκαλέσει διόγκωση και παραμόρφωση των υλικών.
Δείγματα χάλυβα που λύνουν το πρόβλημα
Για να αντιμετωπίσουν αυτό το πρόβλημα, οι ερευνητές έχουν αναπτύξει έναν τύπο χάλυβα μειωμένης ενεργοποίησης φερριτικού/μαρτενσιτικού (RAFM) που περιέχει δισεκατομμύρια ιζήματα νανοκλίμακας καρβιδίου τιτανίου (TiC).
Αυτά τα σωματίδια προορίζονται να παγιδεύσουν το ήλιο που παράγεται από την αντίδραση σύντηξης, αποτρέποντας τη διόγκωση του υλικού. Το U-M Η ομάδα δοκίμασε ειδικά μια νέα γενιά κράματος RAFM που ονομάζεται χυτεύσιμο νανοδομημένο κράμα #9 (CNA9).
Σε μια πρωτοποριακή προσέγγιση, η ομάδα του U-M χρησιμοποίησε έναν επιταχυντή σωματιδίων για να βομβαρδίσει δείγματα χάλυβα με δύο δέσμες ιόντων ταυτόχρονα: μία για να προκαλέσει βλάβη από ακτινοβολία και μια άλλη για να εισαγάγει ήλιο.
Η νέα μέθοδος
Αυτή η μέθοδος προσομοιώνει με μεγαλύτερη ακρίβεια τις συνθήκες μέσα σε έναν αντιδραστήρα σύντηξης από προηγούμενα πειράματα που εξέτασαν αυτούς τους παράγοντες μεμονωμένα.
Οι ερευνητές δοκιμάζουν την ευθυγράμμιση ενός προσαρμοσμένου στηρίγματος πάνω από ένα θυσιαζόμενο δείγμα πριν δοκιμάσουν τον χάλυβα RAFM κάτω από τη διπλή δέσμη ιόντων.
Διάλυση σε υψηλά επίπεδα βλάβης
Οι δοκιμές τους αποκάλυψαν ότι ενώ τα ιζήματα καρβιδίου τιτανίου παγίδευσαν με επιτυχία ήλιο σε χαμηλότερα επίπεδα ακτινοβολίας, άρχισαν να διαλύονται σε υψηλά επίπεδα βλάβης (50 έως 100 μετατοπίσεις ανά άτομο ή dpa). Μόλις διαλύθηκαν τα σωματίδια, το κράμα έχασε την ικανότητά του να παγιδεύει ήλιο, οδηγώντας σε σημαντική 2% επέκταση.
«Τα αποτελέσματα στις υψηλές δόσεις ακτινοβολίας (>15 dpa) ήταν εκπληκτικά, καθώς αναμέναμε στις υψηλότερες θερμοκρασίες που αξιολογήθηκαν ότι τα ιζήματα τιτανίου-καρβιδίου θα εξακολουθούσαν να είναι σταθερά, αλλά σαφώς αυτό δεν ίσχυε», δήλωσε ο Kevin Field, καθηγητής πυρηνικής μηχανικής και ακτινολογικών επιστημών στο Πανεπιστήμιο του Μίσιγκαν και κύριος συγγραφέας των εργασιών.
Τα ευρήματα, τα οποία οι ερευνητές λένε ότι είναι μεταξύ των «αποτελεσμάτων υψηλότερης πιστότητας» σε χάλυβες σχετικούς με τη σύντηξη, παρέχουν κρίσιμη καθοδήγηση για τη μελλοντική ανάπτυξη κραμάτων.
Πρόληψη διόγκωσης
Η ερευνητική ομάδα υποστηρίζει ότι η αύξηση της πυκνότητας των ιζημάτων τιτανίου-καρβιδίου κατά 1.000 φορές θα μπορούσε να αποτρέψει πιο αποτελεσματικά τη διόγκωση. Συνιστούν επίσης περαιτέρω δοκιμές δέσμης ιόντων για την καλύτερη προσομοίωση του πολύπλοκου περιβάλλοντος ενός αντιδραστήρα σύντηξης.
«Αυτή η δυνατότητα είναι απαραίτητη καθώς προχωράμε στην ανακάλυψη και βελτιστοποίηση υλικών για να επιτρέψουμε τη μελλοντική ανάπτυξη της πυρηνικής ενέργειας σύντηξης», τόνισε ο T.M. Kelsy Green, κύριος συγγραφέας των μελετών.
Ενώ η ενέργεια σύντηξης έχει μεγάλο δυναμικό - θα μπορούσε να λειτουργήσει με ισότοπα υδρογόνου από θαλασσινό νερό και δεν θα ενείχε τον κίνδυνο πυρηνικής τήξης - η τεχνολογία δεν είναι ακόμη έτοιμη για μικρής κλίμακας μονάδες παραγωγής ενέργειας.
www.worldenergynews.gr
