КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

---

Номер проекта 20-12-00203

НазваниеНакопление дейтерия и гелия в материалах нового поколения на основе вольфрама и на основе мало-активированных сталей и соответствующие модификации материалов при взаимодействии с плазмой

Руководитель Огородникова Ольга Вячеславовна, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ" , г Москва

Конкурс №45 - Конкурс 2020 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе; 02-501 - Физика высокотемпературной плазмы и УТС

Ключевые слова взаимодействие плазмы с материалом, изотопы водорода, гелий, малоактивируемые ферритно- мартенситные стали, современные вольфрамовые материалы, многоуровневое моделирование, импульсные тепловые нагрузки, нано-структурированная поверхность

Код ГРНТИ58.34.09, 53.49.17, 29.19.21

---

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

---

Аннотация
Создание управляемого термоядерного реактора (ТЯР) безусловно позволит сберечь углеводородные ресурсы в энергетике. При этом экологическая чистота термоядерного реактора сравнима с чистотой современных электрических станций, работающих на углеводороде, и меньше на порядок, чем у современных ядерных реакторов деления с незамкнутым топливным циклом. Следует отметить, что ТЯР создает практически неисчерпаемый источник энергии. Термоядерная энергетика – это возможность для человечества сохранить текущий уровень энергопотребления при исчерпании углеводородного топлива и запасов U235. Ключевой проблемой работы ТЯР является взаимодействие плазмы с материалом. В ТЯР материал будет облучаться изотопами водорода и гелия, нейтронами и тепловыми потоками. В настоящее время вольфрам и вольфрамовые покрытия являются эталонными материалами дивертора ИТЭР и ДЕМО реакторов и рассматривается возможность использования мало-активируемых ферритно-мартенситных, RAFM, сталей не только в качестве структурных материалов, но и в качестве материала первой стенки термоядерного реактора. Также эти стали вместе с новым поколением RAFM сталей с оксидным дисперсным упрочнением (oxide dispersion strengthened) посредством добавления наночастиц Y2O3, так называемые СОД стали, рассматриваются как перспективные материалы для оболочек твэлов реакторов на быстрых нейтронах. В конструкционных материалах активной зоны реакторов на быстрых нейтронах при глубоком выгорании ядерного топлива (15-20% и более т.а.) и, особенно, первой стенки и других узлов разрядной камеры ТЯР, наряду с высокой степенью радиационного повреждения структуры, будет происходить накопление значительных количеств гелия и водорода. Водородное охрупчивание и гелиевое разбухание в термоядерном реакторе являются важными вопросами, определяющими применимость материала и могут быть причиной сокращения срока службы конструктивных элементов реакторов. Cледующей причиной, определяющей срок службы материалов в экстремальных условиях облучения высокими потоками частиц и тепловыми потоками являются поверхностные изменения, а именно, эрозия, образование блистеров и металлического пуха, растрескивание материла. Уникальность условий при высокой плазменно-тепловой нагрузке в термоядерных установках состоит в том, что многие элементарные процессы, а именно, большие потоки изотопов водорода и гелия, большие тепловые нагрузки, могут действовать одновременно. Поэтому в рамках проекта будут исследоваться и облучение ионами гелия и дейтерия в стационарных условиях работы, и воздействие многократных импульсов высокотемпературной дейтериевой и гелиевой плазмы, моделирующее возможные срывы плазмы. Такое комплексное и многомаштабное исследование проводиться впервые. В рамках работы будут проведены исследования фундаментальных закономерностей и различий накопления гелия и роста нано-структурированного пуха в материалах на основе железа и вольфрама при низких потоках/дозах и высоких потоках/дозах облучения. Будет проведено исследование воздействия многократных импульсов высокотемпературной дейтериевой и гелиевой плазмы на материалы для моделирования высоких импульсных тепловых нагрузок, актуальных для краевых локализованных мод (Элм) в ИТЭР и ДЕМО реакторах. Влияние блистеров и пуха на взаимодействие плазмы с поверхностью в термоядерных реакторах пока в значительной степени неизвестно, но ожидается, что оно кардинально изменит работу токамака, так как блистеры и рост пуха приведут к значительному увеличению производства пыли в результате крупномасштабной эрозии отдельных зерен и нано-усиков. Следовательно, возникает необходимость исследовать пути подавления таких поверхностных модификаций. Поэтому в рамках проекта будет проведено выявление условий подавления роста блистеров и пуха в обоих видах материалов на основе железа и на основе вольфрама и проведены эксперименты по подавлению образования блистеров и пуха как в стационарных условиях облучения ионами дейтерия и гелия, так и при облучении импульсной высокотемпературной дейтериевой и гелиевой плазмой. Поскольку изотопы водорода могут накапливается и в перепыленных слоях на стенке токамака, мы будем исследовать такие пленки, создаваемые посредством распыления материала интенсивным плазменным облучением на установке КСПУ с целью комплексного прогнозирования накопления трития в реакторе. Такие пленки являются интересными не только с точки зрения исследований для ТЯР, но и могут иметь новые важные термальные, механические, магнитные, и структурные свойства для использования в ряде смежных областей, например, в качестве барьерного слоя в полупроводниковых интегральных схемах и технологии Al-W, или как абсорбционные слои в литографировании рентгеновского снимка, и т.п. Ограниченная доступность материалов для экстремальных условий эксплуатации все больше и больше становится препятствием для прорывных промышленных инноваций. Разработка новых материалов, устойчивых к экстремальным нагрузкам, является одним из ключевых направлений развития энергетики. В различных энергетических установках существуют свои особые жесткие требования к материалам. В будущих термоядерных реакторах, как отмечалось выше, к наиболее перспективным материалам, взаимодействующим с плазмой, относится вольфрам. Вольфрам рассматривается и в качестве материала приемников солнечных электростанций. Однако вольфрам имеет и ряд существенных недостатков: хрупкость при низких и высоких температурах, сложность обработки, образование трещин при циклических импульсных нагрузках, быстрая скорость окисления в воздухе при высоких температурах. Для преодоления этих недостатков разрабатываются новые технологии производства вольфрамовых компонентов, в том числе с использованием различных легирующих добавок и целенаправленным изменением структуры материала. Композиционные материалы из вольфрамовых волокон и материалы с развитым микрорельефом демонстрируют повышенную стойкость к циклическим тепловыми нагрузками. Такие материалы удовлетворяют требованиям для солнечных приемников и могут использованы в солнечных электростанциях нового поколения. Поведение изотопов водорода и гелия в этих материалах может заметно отличаться от чистого вольфрама, что следует учитывать при разработке материалов. Для этого материалы будут подвержены соответствующим плазменным нагрузкам, проведен обширный анализ эволюции структуры материалов и накопления в них водорода и гелия, направленный на разработку и верификацию компьютерных моделей для описания переноса водорода и гелия в данных материалах. Многоуровневое моделирование, включающее расчеты из первых принципов, метод молекулярной динамики и кинетические уравнения, позволит установить фундаментальные параметры взаимодействия гелия и дейтерия с материалами нового поколения на основе стали и вольфрама. Сочетание экспериментальных исследований и моделирования позволит оптимизировать перспективные материалы для термоядерных установок, а также оценить их потенциал для других приложений в энергетике, таких как солнечные электростанции. Данная работа позволит выявить основные факторы, определяющие накопление дейтерия и гелия и структурные изменения материалов и, тем самым, значительно улучшить оценки накопления радиоактивного трития и времени эксплуатации компонентов в условиях будущих реакторов с учетом факторов неопределенности. Полученные в ходе выполнения проекта результаты смогут быть использованы при проектировании будущих термоядерных реакторов, а также в ряде смежных областей таких как атомная и водородная энергетика, полупроводниковая технология, где применяются наноструктурированные оксиды вольфрама, ракетно-космическая техника и другие, где есть необходимость применения современных наноструктурированных материалов с контролируемой структурой и/или добавками легирующих элементов.

---

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

---