Ученые из Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ» выяснили, как изменение наноструктуры материалов для энергетических реакторов будущего влияет на их пластичность, жаропрочность и другие важные свойства

Сегодня одними из самых перспективных направлений в ядерной энергетике являются разработка новых реакторов на быстрых нейтронах и создание работоспособного термоядерного реактора. Первое позволит замкнуть ядерный топливный цикл и сделать ядерную энергетику более экологичной. Если удастся второе, то в будущем станет возможным вырабатывать энергию принципиально новым способом. Самый известный проект, призванный приблизить появление энергетических термоядерных реакторов, – ИТЭР (International Thermonuclear Experimental Reactor).

Одна из сложностей при создании новых энергетических устройств состоит в том, что все они предполагают наличие экстремальных условий в зоне наработки энергии. Поэтому к материалам, которые будут использоваться в активных зонах новых реакторов, предъявляются невероятно высокие требования. Подвергаясь воздействию высоких температур и потоков высокоэнергетичного облучения, современные материалы быстро деградируют. Самые прочные из них выдерживают дозы облучения, при которых каждый атом в веществе смещается 80–90 раз. Для энергетических термоядерных установок этот параметр должен быть вдвое больше. Именно стойкость материалов в зоне наработки энергии определяет эффективность и безопасность ядерного реактора.

Ученые из Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ» считают возможным решить эту проблему при помощи нанотехнологий. Перспективными для будущих энергетических установок считаются ферритно-мартенситные стали на основе сплавов Fe-Cr и дисперсно упрочненные оксидами стали. В своих работах ученым удалось экспериментально продемонстрировать механизмы атомно-масштабной перестройки этих материалов, а также показать как происходит перераспределение атомов, приводящее к существенному повышению их хрупкости и потере пластичности. Результаты этих исследований опубликованы в журналах Journal of Nuclear Materials и Journal of Nuclear Materials and Energy.

Известно, что изменение наноструктуры может качественно менять свойства конструкционного материала. И, как следствие, существенно сокращать сроки эксплуатации изготовленных из него активных зон установок. В ряде случаев ученым, наоборот, удается подобрать такие наноструктурные изменения, которые существенно расширяют возможности применения материалов и обеспечивают им уникальные свойства, например, значительную жаропрочность.

В своих экспериментах специалисты оказывали различные воздействия на модельные сплавы Fe-Cr и дисперсно упрочненные оксидами стали, а затем при помощи атомно-зондовой томографии фиксировали возникшие изменения свойств материалов на наномасштабах.

«В наших работах мы проводили анализ наномасштабного состояния материалов и его перестройки при различных воздействиях. Мы осуществляли термическое старение, а затем, используя пучки ионов металлов, обнаруживали, что их воздействие может приводить к измельчению наноструктуры», – рассказал РИА Новости заместитель заведующего кафедрой физики экстремальных состояний вещества Института ядерной физики и технологий НИЯУ «МИФИ» Сергей Рогожкин.

По словам ученого, результаты исследований могут быть использованы как при создании материалов для ИТЭР, так и для энергетических установок будущего.

«Задача ИТЭР – продемонстрировать работоспособность концепции термоядерного реактора. Требования к материалам на этом этапе серьезны, но термоядерная установка следующего поколения будет создавать ещё более экстремальные условия, для работы в которых, собственно, и разрабатываются принципиально новые материалы, в том числе те, которые мы сейчас исследуем», – пояснил эксперт.