Krzysztof Petelczyc

Materiały, które mają być zastosowane w przyszłych reaktorach i elektrowniach termojądrowych muszą wykazywać niezwykłą odporność, dlatego wciąż szuka się w tym celu nowych kandydatów. Dr inż. Damian Kalita z Centrum Doskonałości NOMATEN otrzymał finansowanie w ramach programu SONATA Narodowego Centrum Nauki dla projektu „Wieloskładnikowe stopy typu CSA – nowatorskie podejście do opracowania odpornych radiacyjnie materiałów do zastosowań w fuzji termojądrowej”. 

Zwiększające się globalnie zapotrzebowanie na energię elektryczną wymaga opracowania nowych zaawansowanych technologii jej pozyskiwania. Najlepiej, aby nowe elektrownie miały jak największą efektywność oraz znikome oddziaływanie na otaczające środowisko naturalne. Obecnie prace w tym zakresie koncentrują się na opracowaniu reaktorów jądrowych IV generacji oraz na rozwoju przyszłych reaktorów termojądrowych.

O ile coraz doskonalsze i bezpieczniejsze reaktory jądrowe funkcjonują w wielu państwach, technologia termojądrowa nie została jeszcze opanowana. W reaktorach jądrowych źródłem ciepła zamienianego następnie w energię elektryczną jest rozpad ciężkich atomów uranu na lżejsze pierwiastki. Tymczasem technologia termojądrowa wykorzystuje reakcję fuzji dwóch lżejszych jąder, np. wodoru, w jedno cięższe – w tym przypadku hel. W naturze proces ten jest źródłem energii docierającej do nas ze Słońca. Energia uzyskana w takiej reakcji jest znacznie większa niż ta otrzymywana w procesie rozszczepienia jądra uranu.

Co ważne, w przypadku reakcji fuzji nie mamy do czynienia z powstawaniem promieniotwórczych produktów. Technologia ta może więc stać się niezawodnym oraz ekonomicznym źródłem energii. Efektywność samych reaktorów będzie jednak w znaczniej mierze zależeć od materiałów stosowanych przy ich budowie, ponieważ kluczowe elementy takich reaktorów będą wystawione na działanie niespotykanych dotąd warunków – niezwykle wysoką temperaturę, ogromne naprężenia cieplne oraz znaczne uszkodzenia radiacyjne spowodowane oddziaływaniem z wysokoenergetycznymi neutronami oraz jonami helu. Niestety, materiały które są używane w obecnie działających reaktorach jądrowych nie są w stanie sprostać pracy w tak trudnych warunkach.

Dlatego głównym celem proponowanego projektu jest opracowanie nowoczesnych, odpornych na promieniowanie jonizujące materiałów, które będą zdolne do długotrwałej pracy w warunkach panujących w reaktorze termojądrowym. Jednym z głównych kandydatów do tego zastosowania mogą stać się nowoopracowane stopy metali zawierające skoncentrowane roztwory stałe (z ang. concentrated solid solution alloys; CSAs). W przeciwieństwie do klasycznych stopów np. stali zawierających jeden główny składnik (żelazo) oraz w znacznie mniejszym stężeniu dodatki stopowe (np. chrom, nikiel, molibden), CSAs zawierają kilka pierwiastków (zazwyczaj od 2 do 5) w podobnym stężeniu. Odpowiednie dobranie takich pierwiastków sprawia, że pomimo znacznej złożoności chemicznej mogą one stworzyć roztwory stałe. W takich materiałach przypadkowe rozmieszczenie atomów prowadzi do znacznych deformacji ich struktury krystalicznej, co makroskopowo objawia się w postaci unikatowych własności tych materiałów, jak np. wysoka wytrzymałość, odporność na pełzanie czy korozję. Jednak ostanie badania pokazały, że również odporność radiacyjna tych materiałów może być znacząco wyższa w stosunku do czystych metali, czy też konwencjonalnych stopów stosowanych w energetyce jądrowej. Niestety, jak dotąd źródło tych wyjątkowych własności pozostaje nieznane. Dlatego proponowany projekt zakłada analizę mechanizmów powstawania zniszczeń radiacyjnych w tego typu materiałach.

W tym celu zaprojektowano i wytworzono trzy nowe, żarowytrzymałe stopy CSA. Materiały poddano implantacji wysokoenergetycznymi jonami w celu wytworzenia w ich strukturze uszkodzeń podobnych do tych, które mogą powstać w trakcie ich pracy w reaktorze termojądrowym. W ramach projektu zostaną one poddane analizie mającej na celu zrozumienie procesów powstawania i ewolucji uszkodzeń radiacyjnych, jak również ich wpływu na własności mechaniczne stopów. W badaniach defektów zostaną̨ wykorzystane zaawansowane techniki eksperymentalne – skaningowa oraz transmisyjna mikroskopia elektronowa (SEM i TEM). Ta ostania pozwoli na obserwacje uszkodzeń radiacyjnych na poziomie atomowym. Jednocześnie prowadzone będą̨ prace mające na celu określenia wpływu uszkodzeń́ na własności mechaniczne stopów z zastosowaniem techniki nanoindentacji, polegającej na pomiarze odpowiedzi materiału na miejscowe odkształcenie wywołane diamentowym wgłębnikiem. Uzyskane dane eksperymentalne pozwolą na wytypowanie stopu cechującego się największą odpornością na uszkodzenia radiacyjne, który zostanie wytworzony w większej ilości technikami odlewniczymi. Materiał ten zostanie następnie poddany zaawansowanym badaniom mającym na celu dokładne określenie jego właściwości w temperaturach, na jakie wystawione są materiały pracujące we wnętrzu reaktora termojądrowego.

Jak podkreśla dr inż. Kalita, badania te przyczynią się̨ do zrozumienia procesów zachodzących w strukturze materiałów wystawionych na działanie ekstremalnych warunków panujących w reaktorze termojądrowym. Wiedza uzyskana w trakcie realizacji projektu pozwoli na określenie mechanizmów decydujących o odporności na promieniowanie tych materiałów oraz w jaki sposób ich własności można dostosować do wymagań konstrukcyjnych przyszłych komercyjnych reaktorów termojądrowych. Wydaje się to być szczególnie ważne w obecnych czasach, w dobie globalnego kryzysu energetycznego i przechodzenia na zeroemisyjne, czyste źródła energii.

Serdecznie gratulujemy i czekamy na przełomowe wyniki prac.