Институт энергетики Хэфэя добился прогресса в исследованиях совместимости материалов термоядерных реакторов с жидкими металлами, предоставив обоснование для выбора материалов бланкета и первой стенки

Научно-исследовательская группа Центра применения нейтронных технологий Института энергетики Комплексного национального научного центра Хэфэя недавно добилась важного прогресса в исследованиях совместимости материалов и механизмов эволюции свойств в среде жидких металлов термоядерных реакторов. Группа провела углублённые исследования долговременных коррозионных характеристик аустенитной жаропрочной нержавеющей стали и железоникелевого жаропрочного сплава в высокотемпературном статическом жидком свинец-литии, а также механизмов контактного повреждения вольфрамовой композитной матрицы, армированной вольфрамовыми волокнами, при контакте с жидким литием. Соответствующие результаты не только опубликованы в ведущих академических журналах в области ядерных материалов, но и представлены на 9-м Международном симпозиуме по применению жидких металлов в термоядерной области.

Жидкий литий и эвтектический сплав свинец-литий благодаря превосходным характеристикам размножения нейтронов, теплопередачи и стойкости к высоким тепловым нагрузкам рассматриваются как наиболее перспективные кандидатные рабочие среды для жидкостно-твёрдой композитной первой стенки, обращённой к плазме, и бланкета воспроизводства трития в установках магнитного удержания. Однако в экстремальных условиях эксплуатации при температурах в несколько сотен градусов жидкие металлы легко вызывают интенсивную химическую эрозию и физическое разрушение металлических конструкционных стенок, находящихся с ними в непосредственном контакте, что приводит к избирательному растворению и выносу легирующих элементов, деградации механических свойств и снижению теплопередающих характеристик, напрямую ограничивая долговременную безопасность эксплуатации ключевых компонентов термоядерных установок.

Для кандидатных конструкционных материалов высокотемпературного свинец-литиевого бланкета воспроизводства научная группа провела сравнительные эксперименты ускоренной статической коррозии высокохромистой никелевой аустенитной нержавеющей стали и железоникелевого сплава в высокотемпературной статической среде жидкого свинец-лития при 700 градусах Цельсия продолжительностью 1000 часов. В эксперименте систематически отслеживались скорость потери массы образцов, эволюция микроструктуры и глубина диффузии элементов. Результаты показали, что общая коррозионная стойкость к свинец-литию высокохромистой никелевой аустенитной стали превосходит железоникелевый сплав, однако оба типа материалов при глубинной эрозии проявляют общую закономерность преимущественного растворения и выноса хрома и никеля в жидкий свинец-литий с образованием по границам зёрен пористой сотовидной неоднородной коррозионной слоистой структуры; одновременно эксперименты показали, что предварительно сформированная на поверхности металла сплошная плотная оксидная плёнка играет роль физического барьера на начальном этапе, эффективно замедляя скорость химической эрозии высокотемпературным свинец-литием базового материала.

В области исследования совместимости кандидатных жаропрочных материалов жидкостно-твёрдой композитной первой стенки научная группа испытала морфологию повреждений вольфрамовой композитной матрицы, армированной вольфрамовыми волокнами, после 500 часов омывания и пропитки в статическом жидком литии при 350 и 550 градусах Цельсия. Микроструктурная характеризация подтвердила, что в зоне армирующих вольфрамовых волокон преимущественно наблюдается характерная межкристаллитная коррозия и микропиттинг, тогда как в зоне металлической матрицы преобладает преимущественное растворение по границам фаз и кромкам. После интенсивной коррозии при 550 градусах Цельсия микротвёрдость матричной зоны композита снизилась более чем на 54%, сопровождаясь падением температуропроводности, что выявило значительный ослабляющий эффект высокотемпературной эрозии жидким литием на высокотемпературную механическую несущую способность и теплоотводящую способность вольфрамовых материалов. Анализ показал, что оптимизация процесса порошковой металлургии спекания для существенного повышения плотности материала и устранения микропор позволяет эффективно сократить площадь пропитки рабочей средой и тем самым значительно повысить коррозионную стойкость.

В дальнейшем группа ускорит создание комплексной экспериментальной платформы, объединяющей высокотемпературное облучение плазмой и каналы жидкометаллического потока, для условий сложного многополевого сопряжения термоядерного реактора, продолжит оценку динамической коррозии в проточных жидких металлах, многомасштабное моделирование совместимости и разработку оборудования для неразрушающего контроля эксплуатационных свойств in situ, чтобы обеспечить базовые данные для инженерного выбора материалов жидкометаллических бланкетов и первой стенки будущих термоядерных реакторов.