Nyudviklet materiale suger brint ned, spytter det ud, beskytter fusionsreaktorvægge
University of Wisconsin-Madisons ingeniører har brugt en spraybelægningsteknologi til at producere et nyt arbejdshestmateriale, der kan modstå de barske forhold inde i en fusionsreaktor.
Fremskridtet, beskrevet detaljeret i et papir offentliggjort for nylig i tidsskriftet Physica Scripta , kunne muliggøre mere effektive kompakte fusionsreaktorer, der er nemmere at reparere og vedligeholde.
"Fusionssamfundet er på udkig efter nye fremstillingsmetoder til økonomisk at producere store plasma-vendte komponenter i fusionsreaktorer," siger Mykola Ialovega, en postdoc-forsker i nuklear ingeniørvidenskab og ingeniørfysik ved UW–Madison og hovedforfatter på papiret. "Vores teknologi viser betydelige forbedringer i forhold til nuværende tilgange. Med denne forskning er vi de første til at demonstrere fordelene ved at bruge koldspraybelægningsteknologi til fusionsapplikationer."
Forskerne brugte en koldsprøjteproces til at afsætte en belægning af tantal, et metal, der kan modstå høje temperaturer, på rustfrit stål. De testede deres koldspray-tantalbelægning under de ekstreme forhold, der er relevante for en fusionsreaktor, og fandt ud af, at den fungerede meget godt. Det er vigtigt, at de opdagede, at materialet er usædvanligt godt til at fange brintpartikler, hvilket er gavnligt for kompakte fusionsenheder.
"Vi opdagede, at den kolde spray-tantalbelægning absorberer meget mere brint end bulk-tantal på grund af belægningens unikke mikrostruktur," siger Kumar Sridharan, professor i nuklear ingeniørvidenskab og ingeniørfysik og materialevidenskab og ingeniørvidenskab. I løbet af det sidste årti har Sridharans forskningsgruppe introduceret koldsprayteknologi til atomenergisamfundet ved at implementere den til flere anvendelser relateret til fissionsreaktorer.
"Simpelheden ved koldsprayprocessen gør den meget praktisk til applikationer," siger Sridharan.
I fusionsapparater opvarmes plasma - en ioniseret brintgas - til ekstremt høje temperaturer, og atomkerner i plasmaet kolliderer og smelter sammen. Den fusionsproces producerer energi. Nogle brintioner kan dog blive neutraliseret og undslippe fra plasmaet.
"Disse brintneutrale partikler forårsager strømtab i plasmaet, hvilket gør det meget udfordrende at opretholde et varmt plasma og have en effektiv lille fusionsreaktor," siger Ialovega, der arbejder i forskergruppen af Oliver Schmitz, professor i nuklear teknik og ingeniørfysik.
Det er derfor, forskerne satte sig for at skabe en ny overflade til plasma-vendende reaktorvægge, der kunne fange brintpartikler, når de kolliderer med væggene.
Tantal er i sagens natur god til at absorbere brint – og forskerne havde en mistanke om, at oprettelse af en tantalbelægning ved hjælp af en kold sprayproces ville øge dets evne til at fange brint endnu mere.
At skabe en kold sprøjtet belægning er lidt som at bruge en dåse spraymaling. Den består af at drive partikler af belægningsmaterialet med supersoniske hastigheder op på en overflade. Ved stød bliver partiklerne flade som pandekager og dækker hele overfladen, samtidig med at nanoskala-grænserne mellem belægningspartiklerne bevares. Forskerne opdagede, at disse små grænser letter indfangning af brintpartikler.
Ialovega udførte eksperimenter på det belagte materiale på faciliteter på Aix Marseille Universitet i Frankrig og Forschungszentrum Jülich GmbH i Tyskland. Under disse eksperimenter fandt han ud af, at når han opvarmede materialet til en højere temperatur, udstødte det de fangede brintpartikler uden at modificere belægningerne - en proces, der i det væsentlige regenererer materialet, så det kan bruges igen.
"En anden stor fordel ved koldspraymetoden er, at den giver os mulighed for at reparere reaktorkomponenter på stedet ved at påføre en ny belægning," siger Ialovega. "I øjeblikket skal beskadigede reaktorkomponenter ofte fjernes og udskiftes med en helt ny del, hvilket er dyrt og tidskrævende."
Forskerne planlægger at bruge deres nye materiale i Wisconsin HTS Axisymmetric Mirror (WHAM). Den eksperimentelle enhed er under konstruktion nær Madison, Wisconsin, og vil tjene som en prototype for et fremtidigt næste generations fusionskraftværk, som UW-Madison spinoff Realta Fusion sigter mod at udvikle. WHAM-eksperimentet, som ligger i Physical Sciences Laboratory, er et partnerskab mellem UW–Madison, Massachusetts Institute of Technology og Commonwealth Fusion Systems.
"At skabe en ildfast metalkomposit med disse egenskaber af velkontrolleret brinthåndtering kombineret med erosionsbestandighed og generel materialeresiliens er et gennembrud for design af plasmaenheder og fusionsenergisystemer," siger Schmitz. "Udsigten til at ændre legeringen og inkludere andre ildfaste metaller for at forbedre kompositten til nukleare anvendelser er særligt spændende."
Flere oplysninger: Mykola Ialovega et al., Indledende undersøgelse af termisk stabilitet af koldspray-tantalbelægning bestrålet med deuterium til fusionsanvendelser, Physica Scripta (2023). DOI:10.1088/1402-4896/ad0098
Leveret af University of Wisconsin-Madison
Varme artikler
-
Bruger du radar til at overvåge forbrændingsofre og babyer? Det er nu muligtPh.d.-kandidat Ziqian Zhang og professor Benjamin Eggleton optimerer det fotoniske system – grundlaget for højfrekvent radar. Kredit:University of Sydney Forskere fra University of Sydney har opnåe -
Ingeniører opfinder banebrydende spin-baseret hukommelsesenhedEt team ledet af lektor Yang Hyunsoo (anden fra venstre) fra National University of Singapores fakultet for ingeniørvidenskab har opdaget, at ferrimagnet-enheder kan manipulere digital information 20 -
Generering af fotoner til kommunikation i et kvanteberegningssystemIndviklede par af fotoner genereres af og formerer sig væk fra qubits placeret langs en bølgeleder. Kredit:Sampson Wilcox MIT -forskere, der bruger superledende kvantebits forbundet til en mikrobø -
Holografi tilgang forbedrer heads up displays til fly og bilerDen nye heads-up display bruger holografiske optiske elementer til at injicere et billede i glasset, eller bølgeleder (til venstre). Lyset kommer ind i glasset og hopper frem og tilbage mellem dets fo
- Elbilproducenter flytter ind på Teslas græstæppe med nye modeller
- Svinger og oversætter Jordens indre kerne unormalt?
- Mikrobølger mod koldstart-emissioner
- Nu ser du det:Undgåelse af registrering af et infrarødt kamera, blæksprutte stil
- Undersøgelse identificerer, hvilke havpattedyr der er mest udsat for øget arktisk skibstrafik
- Nyt design kan hjælpe med at kaste overskydende varme i næste generations fusionskraftværker