مواد تنگستن-مس گرمای ۱۴۷۲ درجه فارنهایت را تحمل می‌کند تا کارایی رآکتور هسته‌ای را افزایش دهد

دانشمندان MISIS روسیه و JSC NIIEFA موفق به ساخت یک ماده کامپوزیتی جدید برای استفاده در رآکتورهای هم‌جوشی هسته‌ای شدند.

این ماده نوآورانه که ترکیبی از تنگستن و مس است، برای قطعات مواجهه با پلاسمای محفظه دستگاه رآکتور هسته‌ای هم‌جوشی هم‌آمین طراحی شده است.

تنگستن به عنوان گزینه‌ای ایده‌آل برای این قطعات در نظر گرفته می‌شود. نقطه ذوب بسیار بالای آن اجازه می‌دهد تا دماهای شدید تولید شده در یک رآکتور هم‌جوشی را تحمل کند. همچنین مقاومت فوق‌العاده‌ای در برابر فرسایش ناشی از پلاسمای شدید دارد.

علاوه بر این، تنگستن نرخ نگهداری پایینی برای ایزوتوپ‌های هیدروژن دارد که برای حفظ کارایی واکنش هم‌جوشی ضروری است.

استفاده از تنگستن چالش‌برانگیز است

با این حال، شکنندگی ذاتی تنگستن و ناسازگاری آن با فلزات دیگر به دلیل تفاوت در ضرایب انبساط حرارتی خطی چالش‌هایی برای استفاده از آن در قطعات دفع حرارت ایجاد کرده است.

برای غلبه بر این محدودیت‌ها، تیم تحقیقاتی از رویکرد جدیدی استفاده کرده است که از فناوری تولید افزودنی هیبریدی بهره می‌برد.

این تکنیک شامل ایجاد یک ماتریس متخلخل تنگستن بر روی زیرلایه‌ای از تنگستن جامد و سپس نفوذ مس با استفاده از روش نفوذ خلاء است.

«این روش اجازه می‌دهد تا قطعه‌ای از پودر فلز لایه به لایه ساخته شود، خواص آن برای یک وظیفه خاص به دلیل امکان بهینه‌سازی ساختار هندسی کنترل شود،» راساتوم توضیح داد.

کامپوزیت تنگستن-مس حاصل خصوصیات ترموفیزیکی و مکانیکی قابل مقایسه‌ای را با روش‌های تولید سنتی نشان می‌دهد.

با این حال، فناوری افزودنی هیبریدی اجازه می‌دهد تا دفع حرارت بهینه‌تر و مقاومت در برابر گردش حرارتی بهبود یافته‌ای به دلیل طراحی منحصر به فرد کامپوزیت حاصل شود.

تحقیقات نتایج چشمگیری داشت

«نمونه‌های ماده جدید تحت آزمایش‌های مکانیکی، تحلیل رسانایی حرارتی با روش لیزر فلش و مطالعات میکروسکوپی قرار گرفتند و عملکرد خوبی نشان دادند،» راساتوم تأکید کرد.

تیم تحقیقاتی توانست چگالی نسبی بالای 96.7% را در نمونه‌های تنگستن جامد از طریق سنتز لیزری به دست آورد.

سپس ساختارهای اسکلتی تنگستن به شکل شبکه‌های پیچ‌دار ایجاد کردند و آن‌ها را با مس در دماهای بالا نفوذ دادند و فرایند را با دقت نظارت کردند.

«آزمایش‌های مکانیکی نشان داد که کامپوزیت به مراتب بیشتر از تنگستن خالص انعطاف‌پذیر بود. می‌توانست تا 35% تغییر شکل، بدون شکست، را تحمل کند،» تیم افزود.

«علاوه بر این، دانشمندان دانشگاه با همکاری JSC “NIIEFA” اندازه‌گیری‌های رسانایی حرارتی را در دامنه دمایی وسیع (تا 800°C یا 1472°F) انجام دادند.»

این تحقیقات نشان داد که در حالی که کاهش اندازه ساختار سلولی ابتدایی اندکی رسانایی حرارتی را کاهش می‌دهد، اما همچنین خصوصیات مقاومت را افزایش می‌دهد.

طراحی رآکتورهای هم‌جوشی را می‌توان بهینه کرد

این پیشرفت تأثیرات مهمی بر توسعه رآکتورهای هم‌جوشی هسته‌ای دارد.

«در آینده، ما قصد داریم به تولید نمونه‌های اولیه از قطعات مواجهه با پلاسمای محفظه دستگاه رفته و آزمایش‌های چرخه دماگذاری حرارتی را انجام دهیم. آزمایش‌ها شرایط نزدیک به محیط عملیاتی واقعی در نصب‌های رآکتور هم‌جوشی را شبیه‌سازی خواهند کرد،» استانیسلاو چرنیشیکین، رئیس آزمایشگاه در MISIS NUST نتیجه‌گیری کرد.

قابل توجه است که بسیاری از سازمان‌های عمومی و خصوصی در سراسر جهان در حال کار بر روی بهینه‌سازی طراحی رآکتورهای هم‌جوشی هسته‌ای هستند. با این حال، آن‌ها هنوز در مراحل اولیه هستند.

اخیرا، یک شرکت آمریکایی اعلام کرده است که در راه ساخت اولین نیروگاه هم‌جوشی در مقیاس شبکه‌ای تجاری کامل جهانی است و قصد دارد آن را تا سال 2030 به بهره‌برداری برساند.