Ученые по всему миру уже более шести десятилетий стремятся к реализации термоядерной реакции, которую часто называют «святым Граалем чистой энергетики». Однако никому до сих пор не удалось добиться успеха в этом направлении на строящихся реакторах. Одной из причин, сдерживающих прогресс, является ненадежность сварных соединений в установках, предназначенных для нагрева плазмы до температур, значительно превышающих температуру поверхности Солнца.
Концепция использования термоядерной реакции не является новой: энергия, выделяемая звёздами, возникает в результате слияния двух легких атомных ядер в более тяжелое. В различных государствах возводят реакторы термоядерного синтеза, чтобы обеспечить доступ к практически неисчерпаемым ресурсам электроэнергии, которые являются более экологичными и безопасными по сравнению с углеводородами и ураном. Однако сложность управляемого термоядерного синтеза заключается в том, что температура газа, разогретого до состояния плазмы, превышает 100 миллионов градусов Цельсия, и элементы конструктива установок должны быть надежно соединены друг с другом.
Обнаруженные дефекты в вакуумной камере, являющейся одним из ключевых компонентов, привели к отмене предварительного запуска Международного экспериментального термоядерного реактора (В связи с выявленными рисками, связанными с возможной утечкой топлива через сварные соединения элементов магнитной системы, реализация проекта ИТЭР была перенесена с 2025 года на 2036 год. Этот самый масштабный научный проект пришлось отложить.
Для предотвращения подобных рисков на стадии изготовления, британские ученые создали микроскопический способ выявления невидимых дефектов в сварных швах металлических конструкций. Они провели исследования остаточные напряжения в узкой зоне термического влияния во время дистанционной лазерной сварки компонентов из стали P91 — это хромомолибденовый сплав, обладающий превосходной жаропрочностью (до 600 градусов Цельсия). Для измерений применили технологию визуализации с использованием плазменно-фокусированного ионного пучка и цифровой корреляции изображений.
Проведение испытаний на растяжение выявило, что при небольшом воздействии сплав в отдельных зонах приобретает повышенную твердость, тогда как под воздействием значительных нагрузок он становится более податливым в некоторых местах, что приводит к его деформации и разрушению. При температуре 550 градусов Цельсия, требуемой для функционирования термоядерного реактора, сталь теряла более чем треть своей прочности.
До настоящего времени исследования были сосредоточены на изучении поведения материалов при пониженных температурах, в то время как ученые из Великобритании изучили изменения в сварных соединениях при экстремально высоких температурах, характерных для термоядерных реакторов. Результаты этого анализа позволят создавать более надежные и безопасные установки для реализации концепции «искусственного Солнца.
Научная работа опубликована в журнале Journal of Materials Research and Technology.