Исследователи Томского политехнического университета (ТПУ) представили новую архитектуру многослойных покрытий для элементов термоядерных реакторов. Эти покрытия отличаются повышенной термической стабильностью и уникальной способностью к «самозалечиванию» в экстремальных условиях, что в перспективе позволит значительно увеличить срок службы критически важного оборудования.
Работа, выполненная по государственному заданию и опубликованная в авторитетном журнале Journal of Materials Science, направлена на решение ключевой проблемы. Существующие наноламинатные покрытия, хотя и обладают необходимой прочностью и стойкостью к коррозии и радиации, демонстрируют недостаточную надежность при одновременном воздействии высоких температур и облучения.
Специалисты ТПУ предложили принципиально новый подход, создав функционально-градиентный материал на основе чередующихся слоев ниобия и циркония. В отличие от стандартных наноламинатов, эта архитектура с тщательно подобранной градацией каждого слоя обеспечивает не просто повышенную термическую устойчивость, но и позволяет управлять дефектами. Разработка направляет возникающие повреждения в специальные активные зоны, где и происходит их «самозалечивание», тогда как в обычных структурах эти зоны могут не совпадать с очагами повреждений.
Как отмечает один из авторов работы, и.о. руководителя отделения экспериментальной физики ТПУ Роман Сергеевич Лаптев, это часть долгосрочного системного исследования: «Работа, фактически, началась еще лет пять назад. Мы исследовали, как чередующиеся мультислои реагируют на облучение. Реакция была положительной, и стало понятно, что на основе этого эффекта можно создать более сложную структуру, где каждый функциональный слой будет играть определенную роль. Поэтому мы придумали такую сложную систему, которая имеет три фундаментальных элемента. Основная идея в том, чтобы локально повысить радиационную стойкость материала в конкретной нужной области. При этом мы проектировали систему не для конкретного термоядерного реактора, а чтобы продемонстрировать саму концепцию».
Для подтверждения эффективности технологии ученые провели комплексный эксперимент, изучая поведение покрытия при температурах до 900°C в реальном времени. Ключевым элементом исследования стало применение уникальных in situ методик, разработанных в ТПУ.
«С помощью измерений в процессе воздействия мы показали, как материал работает, как он самозалечивает дефекты. Мы применили два метода: анализ с помощью рентгеновской дифракции и анализ с помощью позитронной спектроскопии. Результаты были очень хорошие – накопление термических вакансий стабилизировалось с ростом температуры, а уменьшение их концентрации при охлаждении демонстрировало повышенную кинетику. Это говорит о том, что за счет неравновесного состояния дефекты не накапливаются, а стекаются на интерфейсы, на границы раздела, и аннигилируют там», — объяснил корреспонденту «Научной России» Р.С. Лаптев.
Применение традиционных методов рентгеновской дифракции и электронной микроскопии показало, что покрытие сохраняет стабильность своей многослойной структуры даже при сильном нагреве. Ключевым результатом стала обратимость происходящих фазовых превращений, что позволяет материалу выдерживать многократные циклы нагрева и охлаждения без существенной деградации свойств. По словам ученого, такая обратимость критически важна для оценки долговечности покрытий в реальных условиях эксплуатации термоядерных реакторов.
Источник фото: пресс-служба Томского политеха
