انتخاب مواد ساختاری مناسب برای راکتورهای همجوشی

آیا دو ماده ساختاری امیدوارکننده در هنگام تماس با “پرورش دهنده های سوخت فلزات مایع” در راکتورهای همجوشی در دماهای بسیار بالا خورده می شوند؟ محققان فناوری توکیو، دانشگاه ملی یوکوهاما (YNU) و مؤسسه ملی علوم و فناوری کوانتومی (QST) اکنون پاسخ این سوال را دارند. این سازگاری در دمای بالا مواد ساختاری راکتور با تولیدکننده مایع – پوششی در اطراف هسته راکتور که نوترون‌های با انرژی بالا تولید شده در پلاسمای داخل راکتور را جذب و به دام می‌اندازد – کلید موفقیت طراحی راکتور همجوشی است. 

راکتورهای همجوشی می توانند وسیله ای قدرتمند برای تولید برق پاک باشند و در حال حاضر، چندین طرح بالقوه در حال بررسی هستند. در یک راکتور همجوشی، از همجوشی دو هسته مقادیر زیادی انرژی آزاد می شود. این انرژی به عنوان گرما در یک «پتوی پرورشی (BB)» که معمولاً یک آلیاژ لیتیوم مایع است، محبوس می‌شود و هسته راکتور را احاطه کرده است. سپس از این گرما برای راه اندازی یک توربین و تولید برق استفاده می شود. BB همچنین یک عملکرد اساسی در تولید سوخت همجوشی دارد و یک چرخه سوخت بسته برای عملکرد بی پایان راکتورها بدون کاهش سوخت ایجاد می کند.

عملکرد BB در دمای بسیار بالا بیش از 1173 کلوین، عملکرد جذاب تولید هیدروژن از آب را انجام می دهد، که یک فناوری امیدوارکننده برای تحقق جامعه ای بدون کربن است. این امکان پذیر است زیرا BB با جذب انرژی حاصل از واکنش همجوشی تا بیش از 1173 کلوین گرم می شود. در چنین دماهایی، خطر خوردگی مواد ساختاری در تماس با BB وجود دارد که ایمنی و پایداری راکتورها را به خطر می اندازد. بنابراین، یافتن مواد ساختاری که از نظر شیمیایی با مواد BB در این دماها سازگار هستند، ضروری است.

یکی از انواع BB که در حال حاضر مورد بررسی قرار می گیرد، فلز مایع BB است. یک کاندید امیدوارکننده برای چنین BB ها، آلیاژ لیتیوم مایع سرب (LiPb) است. به عنوان کاندید برای مواد ساختاری سازگار با LiPb مایع در دماهای بسیار بالا، یک ماده کاربید سیلیکون (SiC) خاص، CVD-SiC، و یک آلیاژ آهن-کروم-آلومینیوم (FeCrAl) پیش اکسید شده در هوا در حال بررسی هستند. اما اطلاعات مربوط به این سازگاری بیش از 973 K وجود ندارد.

اکنون، تیمی از دانشمندان مؤسسه فناوری توکیو (Tokyo Tech)، QST، و YNU، ژاپن، به رهبری پروفسور Masatoshi Kondo از Tokyo Tech، سازگاری را در دماهای بسیار بالاتر نشان داده‌اند. یافته های آنها در Corrosion Science منتشر شده است. کوندو توضیح می دهد: «مطالعه ما تفاوت های ظریف مکانیسم مقاومت به خوردگی آلیاژهای CVD-SiC و FeCrAl را در LiPb مایع تا 1173 K روشن می کند.

این تیم ابتدا LiPb با خلوص بالا را با ذوب و مخلوط کردن گرانول‌های لی و سرب در یک دستگاه تحت شرایط خلاء سنتز کردند. سپس آلیاژ را تا دمای فوق الذکر حرارت دادند و در آن به مایع تبدیل شد. نمونه‌های CVD-SiC و دو نوع آلیاژ FeCrAl – با و بدون عملیات پیش‌اکسیداسیون برای تشکیل یک لایه سطحی α-Al ₂ O ₃ – برای تست خوردگی به مدت 250 ساعت در این LiPb مایع قرار گرفتند. کوندو می‌گوید: «یک یافته جالب این است که بر خلاف ادبیات قبلی، پیش تصفیه اکسیداسیون برای تشکیل یک لایه α- _{Al2O3 مقاومت} در برابر خوردگی بیش از 1023 K ایجاد نمی‌کند.»

برش‌های نمونه‌های بازیابی شده نشان داد که CVD-SiC با ناخالصی‌های موجود در آلیاژ LiPb واکنش داده و لایه‌ای از اکسیدهای پیچیده را تشکیل می‌دهد که سپس مقاومت در برابر خوردگی برای آن ایجاد می‌کند. آلیاژ FeCrAl تیمار نشده پس از واکنش با LiPb، لایه ای از اکسید γ-LiAlO ₂ را تشکیل داد که سپس به عنوان یک مانع ضد خوردگی عمل کرد. در مورد FeCrAl از پیش تیمار شده، لایه سطحی α- _{Al2O3 مقاومت} خوردگی را در 873 K ارائه کرد اما در 1173 K به γ-LiAlO2 تبدیل شد و این γ-LiAlO2 بود _که  پس  از آن مقاومت به خوردگی را ارائه داد.

– این بیانیه مطبوعاتی توسط موسسه فناوری توکیو ارائه شده است