Построяването на реактор за ядрен синтез, който да осигурява зелена енергия за домовете и промишлеността, е цел на много физици по света, но между настоящето и бъдещето на тази зелена енергия има много препятствия. Въпреки че някои от тези препятствия са преодолени, следващата граница е създаването на здрави материали, способни да издържат на адските условия в токамака.

Докато инженерите конструират реактори за термоядрен синтез от следващо поколение като например Международния термоядрен експериментален реактор (ITER) в Южна Франция, лабораториите по света работят по създаването на екзотични материали, способни да задържат свръхгореща плазма и същевременно да произвеждат електроенергия. Една от тези лаборатории е MIT Energy Initiative (MITEI), която се занимава с намирането на начини за повишаване на устойчивостта и надеждността на бъдещите реактори.

В ново проучване, публикувано в списание Acta Materiala, Джу Ли от MIT, старши автор на проучването, и колегите му изследват нови начини за проектиране на материал, който може да държи охлаждащата течност (отговорна за създаването на енергия от високоенергийни неутрони) и бушуващата плазма разделени, като същевременно позволява на неутроните да преминават през нея. Проблемът се състои в това, че в сравнение с реакторите на делене неутроните в реакторите на синтез са много по-кинетични и това кара някои от тях да реагират с атомната структура на самия материал.

Така се създават хелиеви атоми, които след това опустошават вакуумната стена, докато търсят област с ниска „енергия на вграждане“ (колко енергия е необходима, за да бъде погълнат един хелиев атом). За съжаление най-добрият кандидат са областите, известни като „граници на зърната“, които са дефекти в кристалната структура на метала, и тъй като тези хелиеви атоми се събират в тези области, те се отблъскват един от друг и създават пукнатини в материала, като превръщат съда в нефункционален само в рамките на шест месеца. Това не е нещо, което искате, когато имате работа с плазма с температура над 150 милиона градуса по Целзий.

„Атомите на хелия обичат да отиват на места с ниска енергия на вграждане на хелий“, обяснява Ли в изявление.

Ли и екипът му измислиха начин за целенасочено създаване на други области в материала с по-ниска „енергия на вграждане“, за да привлекат тези хелиеви атоми далеч от потенциални точки на повреда, като например границите на зърната. Използвайки метрика, известна като „свободен обем в атомен мащаб“, изследователите разглеждат кандидати, които имат по-голям обем и по този начин по-ниска енергия на вграждане. След като взеха предвид и други възможности, които тази керамика би изисквала - механична здравина, съвместимост с метали и устойчивост на радиоактивност при постоянно излагане на неутрони, екипът стесни избора от 50 000 възможности до крайния победител: железен силикат.

„Искаме да разпръснем керамичната фаза равномерно в основния метал, за да гарантираме, че всички гранични области на зърната са близо до разпръснатата керамична фаза, така че тя да може да осигури защита на тези области“, продължава Ли. „Двете фази трябва да съжителстват, така че керамиката да не се слепва или напълно да се разтваря в желязото.“

Ли и екипът му тестват материала, като имплантират железен силикат в железен образец и правят рентгенови дифракционни изображения, които потвърждават, че хелиевите атоми се съхраняват в „обемната решетка на железния силикат“, според Ли.

За това не е необходимо голямо количество железен силикат. Екипът изчислява, че само 1% от материала (по обем) може да предотврати катастрофални повреди, тъй като много малки мехурчета, разпръснати по повърхността, са много по-добри, отколкото да се събират по границите на зърната. За щастие този материал също не е затворен в лабораторията, тъй като Ли и колегите му, участващи в изследването, са създали стартъп, предназначен за 3D печат на тези структурни материали.

Намирането на материално решение за ядрения синтез все още остава трудно препятствие, но това ново изследване на MIT предлага значителен напредък, за да се премахне надвисналото препятствие, което ни пречи най-накрая да усвоим това решение за зелена енергия, известно като ядрен синтез.

Снимка: Unsplash

Виж още: Откриха огромна подводна планина, която е по-висока от митичния Олимп