پیشرفت MIT در ساخت فلزاتی که راکتورهای همجووشی هسته‌ای را مقاوم به حرارت شدید می‌کند
محققان موسسه فناوری ماساچوست (MIT) از نانوذرات ترکیبات سرامیکی خاصی برای پوشش کشتی‌های رآکتورهای همجوشی هسته‌ای استفاده کرده‌اند تا آن‌ها را مقاوم‌تر و با دوام‌تر کنند.
این نانوذرات به جذب اتم‌های هلیوم تولید شده در واکنش همجوشی کمک می‌کنند که می‌تواند ظرف شش ماه کشتی را تخریب کند.
همانطور که جهان امید خود را به واکنش همجوشی هسته‌ای برای تامین نیازهای انرژی به شیوه‌ای پاک و سبز معطوف کرده است، دانشمندان باید راه‌حل‌هایی برای دو مشکل اصلی پیدا کنند. یکی از این مشکلات دریافت انرژی خالص است که در آن رآکتور بیشتر از انرژی ورودی، انرژی خروجی تولید کند. با وجود پیشرفت‌ها در این زمینه، مشکل دیگر چالش‌برانگیزتر است.
واکنش همجوشی در دماهایی بیش از دمای خورشید کار می‌کند، اما با ادامه واکنش، نوترون‌هایی با انرژی جنبشی بالا منتشر می‌شوند که باعث آسیب تابشی شده و همچنین حرارت بیشتری تولید می‌کنند.
این حرارت می‌تواند از رآکتور به کمک یک خنک‌کننده منتقل شود تا بخار و سپس برق تولید شود. اما نگه داشتن خنک‌کننده و پلاسما جدا از هم یک چالش بوده است. کنترل جریان نوترون‌ها می‌تواند به حل این مشکل کمک کند.
مشکل هلیوم در رآکتورهای همجوشی
رآکتورهای شکافت هسته‌ای نیز نوترون منتشر می‌کنند، اما نوترون‌های آزاد شده از واکنش همجوشی کنترل آن‌ها دشوار است. علاوه بر داشتن انرژی جنبشی بیشتر، نوترون‌های رآکتورهای همجوشی به دیوارهای کشتی خلاء نفوذ می‌کنند.
بسته به موادی که برای ساخت کشتی مورد استفاده قرار گرفته‌اند، این تفاعل می‌تواند به تشکیل اتم‌های جدید هلیوم منجر شود که می‌تواند یکصد برابر بیشتر از چیزی باشد که در یک رآکتور شکافت دیده می‌شود.
اتم‌های هلیوم به یک مکان فرودی نیاز دارند که جایی با انرژی کم برای جاسازی است و معمولاً در مرز دانه‌های فلز مورد استفاده در رآکتورهای همجوشی رخ می‌دهد. اتم‌های داخلی یک فلز به شکل مرتب ردیف می‌شوند که به آن دانه‌ها می‌گویند. در برخی مناطق، اتم‌ها به خوبی ردیف نمی‌شوند و انرژی جاسازی هلیوم کم دارند که منجر به تجمع اتم‌های هلیوم می‌شود.
با شروع تجمع اتم‌های هلیوم، آن‌ها یکدیگر را دفع می‌کنند و مرز دانه را بازتر می‌کنند. با گذشت زمان، این باز شدن مرز دانه به ترک تبدیل می‌شود و مهر و موم خلاء کشتی رآکتور را می‌شکند.
پراکندگی اتم‌های هلیوم در داخل رآکتور
یک تیم تحقیقاتی به رهبری جو لی، استاد علوم مواد و مهندسی در MIT، یک راه حل نسبتاً ساده‌تر برای این مشکل پیدا کرده است. از آنجا که دوام کشتی رآکتور به جاسازی اتم‌های هلیوم بستگی دارد، محققان موادی با انرژی جاسازی کمتر از مرز دانه کشتی رآکتور معرفی کردند.
تیم لی حدود 50,000 ترکیب را بررسی کرد تا در نهایت به 750 کاندیدای بالقوه نزدیک شد که می‌توانستند بر اساس استحکام مکانیکی، عدم واکنش با فلز رآکتور، ناتوانی در تبدیل شدن به رادیواکتیو با جذب نوترون‌ها و حجم آزاد موجود برای جاسازی اتم‌های هلیوم را ایفا کنند.
بر اساس این عوامل، آهن سیلیکات به عنوان ماده‌ای برای پراکندن در دیواره داخلی کشتی رآکتور انتخاب شد و سپس با اتم‌های هلیوم کاشته شد.
از طریق مطالعات پراش پرتو ایکس و شمارش تعداد حباب‌های هلیوم بر روی کشتی رآکتور، محققان تأیید کردند که آهن سیلیکات تجمع هلیوم را از مرز دانه‌ها دور کرده است.
محققان تخمین می‌زنند که افزودن فقط یک درصد از حجم آهن سیلیکات حباب‌های هلیوم را به نصف و قطر آن‌ها را به 20 درصد کاهش داده است. محققان همچنین پودرهای آهن سیلیکات را با چاپگرهای سه‌بعدی سازگار کرده‌اند تا کشتی‌های رآکتور همجوشی مقاوم‌تری ایجاد کنند.
یافته‌های این تحقیق در ژورنال Acta Materialia منتشر شده است.
