Разработан новый композитный материал для термоядерных реакторов.

«Университет МИСИС – авторитетный лидер в сфере материаловедения в России, занимает место в топ-100 лучших вузов мира по направлению Materials Science согласно рейтингу QS. Наши исследователи занимаются разработками, которые находят применение в разных отраслях промышленности, включая высокотехнологичные. Команда под руководством молодого ученого, PhD Станислава Чернышихина, создала новый композиционный материал для использования в термоядерных реакторах, производимых в России», — сообщила Алевтина Черникова, ректор Университета МИСИС.

Вольфрам является одним из ключевых материалов для компонентов, контактирующих с плазмой, благодаря своей высокой температуре плавления и пороговой энергии для физического распыления, а также низкому удержанию водородных изотопов. Однако его механическая обработка затруднена из-за высокой твердости и хрупкости. Для производства изделий из вольфрама обычно применяются методы порошковой металлургии, но традиционные технологии не позволяют создавать сложные формы.

Поэтому стандартный дизайн КОП представляет собой простую многослойную конструкцию. Альтернативой классическим методам является аддитивное производство, которое позволяет послойно создавать изделия, включая пористые структуры. Свойства таких изделий могут быть адаптированы под конкретные задачи путем изменения геометрической структуры.

«Разработка новых методов для производства деталей из вольфрама имеет высокую практическую ценность. Технология селективного лазерного плавления (СЛП) является одним из самых распространенных и популярных методов аддитивного производства металлических изделий благодаря возможности создания деталей сложной формы с высокой разрешающей способностью. Следует отметить, что производство вольфрамовых изделий с использованием метода СЛП представляет собой сложную задачу из-за высокой температуры плавления, образования дефектов несплавления, микротрещин и перегрева различных узлов в установках», — подчеркнул Станислав Чернышихин, PhD, заведующий лабораторией Университета МИСИС.

Изучив условия лазерного синтеза вольфрама, команде НИТУ МИСИС удалось достичь относительной плотности сплошных образцов в 96,7 процента. Сначала были изготовлены скелетные структуры гироида из вольфрама, напоминающие изогнутую сетку или волну, для создания биметаллического материала. Затем в матрицу металла была инфильтрирована медь при температурах до 1350°C с in situ мониторингом процесса. Исследование смачивания и кинетики пропитки вольфрамовых матриц помогло установить оптимальные условия инфильтрации.

Механические испытания показали, что композит намного пластичнее чистого вольфрама — он выдерживал деформацию до 35 процентов без разрушения. Также ученые университета совместно с АО «НИИЭФА» провели измерения теплопроводности в широком диапазоне температур (до 800°С). Было установлено, что с уменьшением размера элементарной ячейки структуры наблюдается небольшое снижение теплопроводности, однако прочностные характеристики при этом увеличиваются.

«В будущем мы планируем перейти к производству макетов КОП и проводить тепловые циклические испытания. В ходе испытаний будут моделироваться воздействия, приближенные к реальным эксплуатационным условиям в термоядерных установках», — добавил Станислав Чернышихин.

Подробные результаты опубликованы в International Journal of Refractory Metals and Hard Materials (Q1).