האתגר הקריטי של חום קיצוני ב- Fusion Reactors

החיפוש אחר מרכזי אנרגיה של היתוך מסחריים על העתקת התהליכים שמחזקים את השמש. בכור היתוך, איזוטופים מימן מחוממים ליותר מ-150 מיליון מעלות צלזיוס, ויוצרים פלזמה שמשלבת אל הליום ומשחררת אנרגיה עצומה. בעוד פלזמה עצמה כלולה באופן מגנטי, קירות הכור - במיוחד הקיר הראשון והטסטרומנט - אינם סובלים משטף אינטנסיבי, נויטרונים, ושחיקה, ושחיקה, חלקיקית, לא יכולה לשרוד את החומרים המתקדמים ביותר.

האתגר אינו רק טמפרטורה גבוהה.הקירות חייבים גם לעמוד עומסי תרמיים מחזוריים (פעולה מוכוונת בטוקמנקס), נויטרונים באנרגיה גבוהה שמפוזרים אטומים ויוצרים בועות הליום, ומצמצילים מחלקיקים פלזמה. חומר שהצטיין באזור אחד עלול להיכשל באסטרטגיה רבת-מדבקות: התחדשות מתקדמת, מתכות, קרמיקה, טמפרטורות נוזליות, כל אחת, מכופות, הן יכולות להיות ממתכתיות, ונטיות, כל אחת, הן ממתכת, הן יכולות לגרורות, הן שיטות מורכבות.

דרישות תרמית ומכניות על חומרים ראשונים

המרכיבים הצפופים של פלזמה (PFCs) של כור היתוך חייב לפעול תחת פלוקס חום יציב של כמה מגהוואט למטר רבוע, עם אירועים טרנסיים כגון קצוות מצבים מקומיים (אלMs) לייצר התפרצויות פי עשרה גבוה יותר.עבור התייחסות, גלי חום על פני השטח של השמש הוא בערך 6.3 /m2.הנס, אשר ממצה את זה הוא חייב לשאת במהירות של מחסנים / רחם אחד (אוב) או יותר מ- 2 שנים.

גורם קריטי נוסף הוא שימור טריטיום. טריטייום הוא איזוטופ נדיר ורדיואקטיבי; כל חומר סופג טריטייום מקטין את יעילות הדלק מעלה חששות בטיחות. Beryllium, המשמש בטור השני האירופי (JET) ו- ITER, שומר על טריטיום במידה רבה, בעוד tungsten מראה הרבה יותר נמוך שמירה.

Metals: Tungsten, Molybdenum, ומעבר ל- Beyond

Tungsten as the Prime המועמד

(הופנה מהדף ⁇ ) הוא החומר המלומד ביותר עבור פני השטח הצפופים פלזמה בשל נקודת ההמס הגבוהה ביותר של כל המתכות (3,422 מעלות צלזיוס), התשואה נמוכה, ושמירת טריטיום נמוכה יש גם מוליכות תרמית טובה (170 W/mK בטמפרטורה החדר, אם כי הוא יורד בטמפרטורה גבוהה).

Molybdenum ו-Alloys

Molybdenum, עם נקודת התכה של 2,623 °C, הוא עוד אפשרות ריבונית.יש לו מוליכות תרמית נמוכה יותר מאשר tungsten אבל קל יותר מכונה. Molybdenum ⁇ s כגון TZM (titanium-zirconium-molybdenum) מציעים כוח עליון בטמפרטורות גבוהות ומשמשים במתקנים עתירי חום גבוה עם זאת, מול רכיבי tebdenadena, כי הוא יכול בקלות יותר מאשר teredentdentdentdentdentdentdena יותר מאשר te יותר מאשר teremedmedme, לעומת scodenumd יותר מאשר stracedenum יותר מאשר stomed יותר מאשר teretra אטומית יותר מאשר tebdenumretra stradenum tdenum יותר מאשר stra stra stodenum.

ראשי התיבות של Refractory Alloys

⁇ אקזוטיות יותר כוללות מערכות W-Ta-Cr שמטרתן לשלב נקודות התכה גבוהות עם עמידות מוגברת לקרינה.Vadium ⁇ s (למשל, V-4Cr-4Ti) נחקרו גם עבור המאפיינים הפעלה נמוכה שלהם - הם הופכים פחות רדיואקטיביים לאחר חשיפה נויטרונים בהשוואה לפלוריטיסים ferritic.

Ceramics ו Ceramic Matrix Composites

Silicon Carbide (SiC) ו- SiC / SiC Composites

סיליקון carbide (SiC) הוא קרמיקה עם יציבות תרמית יוצאת דופן (התוצאה מעל 2,700 מעלות צלזיוס), צפיפות נמוכה, קשיחות גבוהה, והתנגדות לסימורטרון. סיבים מתמשכים (הוכיחו סיבים סיליקון מחוספסים מעל 2,700 מעלות צלזיוס), יש לפתח חומרים מבניים עבור שמיכה היתוך - האזור מאחורי הקיר הראשון כי גזעים תרמיים וגורם נמוך מאוד C.

Refractory Carbides ו Nitrides

(ב) כ"[[1924]]]]]]]]]]]]]] [[1924]]]]]]]]]] [[1924]]]]]]]]]]]]]] [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]] [[1924]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]] ו[[1924]]]]]] [[1924]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]] [[[[1924]]]]]]]]]]]] [[[[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]] [[[[1924]] [[[[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]] [[[[1924]]]]]] [[[[[[1924]]]]]] [[[[1924]]]]]] [[[[[[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]] [[[[[[[[1924]]]] [[[[[[[[1924]]]]]] [[[[[[[[[[1924

גרפיטי ופחמן-פיבר Composites

חומרים מבוססי פחמן שימשו בתחילת קלקמיקים כמו JET ועדיין משמשים כמה עיצובים להסיטים בגלל ההתנגדות הזעזוע התרמית הגבוהה שלהם ומספר אטומי נמוך (אשר מפחית אובדן קרינה פלזמה) עם זאת, פחמן סובל משחיקה גבוהה על ידי sputtering כימי (המוכרים הידרוממנים) ו- tritium תחזוקה. ITER תכנן במקור פחמן מורכב (CFC) אבל לעבור לרכיבי פחמן נמוך עבור רכיבים פחמן דו-קרב פחמן.

מתכת נוזלית פלאסמה-Facing Components

אלטרנטיבה לקירות מוצקים היא באמצעות מתכת נוזלית זורמת כמו פני השטח הפונה של פלזמה ליתיום נוזלי, גליום, tin, או ⁇ ם שלהם יכול להיות בעל חום עצמי, מתפזר דרך הדבקה, ובאופן קבוע להסיר את המכשולים.המתכת הנוזלית ביותר היא ליתיום מגנטי, אשר גם מקבל תכונות מחוספסות - זה ללכוד חמצן וטריום.

טכניקות קירור מתקדמות וניהול חום

מיקרו ערוצים וחום-Pipe Cooling

אפילו החומרים הטובים ביותר יש מגבלות תרמיות. קירור פעיל חיוני כדי לשמור על טמפרטורות בתוך גבולות בטוחים. קירור מים מסורתי משמש ITER עם זרימה תת-קוטבת רתיחה, אבל מים יש גבול גלי חום קריטי יכול לגרום קורוזיה וסטרס הלחץ corrosion סדק בפלדת אל-חלד, כולל גם חלבונים זעירים (50-200 מיקרומטר) מכו לתוך משטח החום, גדל באופן דרמטי כדי לנגיף חום, כמו גם כן, ניתן לשלב צינורות חום.

Helium-Cooled ו-Lilit-Metal Cooling Loops

עבור כורים הדגמה מעבר ITER, קירור גז הליום הוא המועדף כי זה אינרציה, לא קורוזי, יכול לפעול בטמפרטורה גבוהה (700-900 מעלות צלזיוס) בהמרות כוח מחזורית ישירה.העיצוב האירופי DEMO משתמש טיפות helium-cooled pebble מיטה, אבל קירור הליום דורש תכנון זהיר של סנפירים ומטוסים כדי להשיג קוגני חום גבוהים כמו מגנטיים (אומטר) הם גם כן, כמו מגנטיים).

ריצוף ריבוע

במושגים מסוימים, ציפוי מחסום תרמי (TBC) עשוי zirconia עמידת-היציבות (YSZ) או נדיר-earth zirconates מוחל על חומרים מבניים מאחורי הקיר הראשון כדי להפחית את גלי החום לתוך רכיבי פלדה. ציפוי אלה הם ללוות מטכנולוגיית טורבינות גז, אבל חייב להיות מותאם לעמוד בפני קרינה נויטרון ושחיקה על ידי פלזמה.

עקבו אחרי Surface Engineering

לעתים קרובות זה לא החומר הגדול אבל פני השטח להיכשל קודם. משטחים מעופפים פלזמה מחוסנים על ידי מחזורים נחושת, אדום, ויכולים ליצור שכבות מעורבות (למשל, beryllium-tungsten) כי ציפויים של חומר דבק (Colesto-Ctrasecting) כגון ריצוף פיזי (PVD), זיהום כימי (VD), והם משמשים ציפוי מגנטי (Rungs) על גבי סוללת הגנה).

אזור מתפתח נוסף הוא סגסוגת tungsten עצמי כי צורה שכבת תחמוצת יציבה בטמפרטורה גבוהה במקרה של אוויר ingress (למשל, מ קרע צינור קריר) סגסוגת SMART tungsten (W-Cr-Y) שפותחה על ידי הדבקה EUROfusions מופחתת שיעורי חמצון על ידי הזמנות של גודל בהשוואה ל- tungstens, כמו גם ננומטרה, 000.

ייצור והצטרפות לאתגרים

הפחתת מרכיבים גדולים, ללא פגם מתכות קרמיקה קשה.Tungsten הוא קשה ושבריר; מאצ'ינג ו Welding דורשים טכניקות מיוחדות. ייצור אדקטי (3D הדפסה) של tungstensten ו- SiC רכיבים הוא אזור מחקר פעיל (SLM) של tungstenssss מושגת אבל דורש שליטה פרמטר זהיר כדי למנוע porosity ו- SiCracking תהליכים.

בדיקות ניסיוניות ומתקני

(החומרים של המועמדים חייבים להיבדק בתנאי היתוך ריאליים:0ITERFLT:1PS פרויקט יהיה הראשון לשלב רבים של חומרים אלה בסביבה פלזמה בוערת, אך לא יתחיל לפעול עד סוף 2030: במדד 3.15 ואילך, החוקרים משתמשים בבדיקות רידג'-Fposition (ראשי תיבות: GLADIS בגרמניה, או במתקן HRAID בדגימות חום של אילינוי) הם כמו ARCFDRMIFDCTICTICTICTICT (R) בדיקות חום קבועות).

עבור שפעת נויטרונים גבוהה יותר, חומרי פיוז'ן הבינלאומי אירדיציה (IFMIF) הוצע לספק ספקטרום של היתוך-רימור באמצעות תגובות deuteron-lithium.IFMIF יהיה חיוני כדי להעפיל חומרים עבור deMO. A מופחת-cost, IFMIF-do-do (Demonstration Neutron Source), מפותחת באתר LT1 (F) כדי לספק טיפול תרופתי ראשון (DV)

כיוונים עתידיים ותפקיד למידת מכונות

החיפוש אחר חומרים חדשים מודרך יותר ויותר על ידי שיטות חישוביות. High-באמצעות חישובים תורת פונקציונליות צפיפות גבוהה (DFT) חישובים אלפי סגסוגת הרכבים לזהות מועמדים עם נקודות נמס גבוה, התשואה נמוכה, והתנגדות קרינה טובה.מודלים למידה מכונה אימון על נתונים קיימים יכולים לחזות תכונות כמו מוליכות תרמית, יציבות שלב, ונזקי נויטרונים.

גבול אחר הוא חומרי גירוד עצמי שיכולים לתקן נזקי הקרנה בכריחות, מסוימים פיזור תחמוצת-העצמי (ODS) פלדה וננו-precipitate ⁇ s יכול מלכודות helium בגבולות דגנים, צמצום הגישה ההצתה באופן פעיל ⁇ העצמי מבוסס על תגובות חמצון (למשל, MoS2i2 או sc) לאחר מכן הם עשויים להפעיל את ה-ivdicial Rebridation / Tobaccos.

מסקנה

הפיתוח המוצלח של כוח ההיתוך הוא להתגבר על האתגרים החומריים הקיצוניים בקירות כור.המסע ממתכות בסיסיות של קירור מתכות מתוחכמות ומתכות נוזליות מתקדמות מייצג סינתזה יוצאת דופן של חומרים מדע, הנדסה גרעינית, ופיזיקה עתירה גבוהה, בעוד tungsten נשאר בשפע עבור מכשירים לטווח ארוך כמו ITER, פתרונות לטווח ארוך כגון SiC / SIRC, ו-C, אשר מאמת את מערכות חשמל בינלאומיות, כמו IFse בטוח, ו-Flastic, יש צורך להשיג אנרגיה מתחדשת, כמו מערכות אנרגיה מתחדשת, 000, ו-Falcrelimates, ו-Falcrelimates, כמו: