Глава 398. Даже небеса помогают им •
Взяв данные у Чжао Гуангуя, Сюй Чуань внимательно изучил их.
Проблема облучения высокоэнергетическими нейтронными пучками всегда была мировой проблемой века, которую изучал весь мир.
Самое сложное в высокоэнергетических нейтронах - это не их собственное излучение, а то, что они могут сталкиваться с ядрами атомов различных элементов.
Когда нейтроны сталкиваются с различными ядрами атомов, возникает явление "нейтронного возбуждения", образуются нестабильные изотопы, которые делают вещество радиоактивным и разрушают его структуру.
Проще говоря, это похоже на то, как если бы исходный материал был семьей из четырех человек, два нейтрона + два протона составляли любящую семью.
Затем высокоэнергетический нейтрон извне врезается в ядро атома, как любовница, насильно вклиниваясь в него, и тогда семья распадается и становится несовершенной.
В настоящее время научное сообщество решает проблему нейтронного облучения, как правило, используя материалы, замедляющие нейтроны, и вещества, поглощающие медленные нейтроны, в сочетании друг с другом, чтобы остановить нейтронное облучение.
Среди них материалы, замедляющие нейтроны, делятся на два типа: тяжелые и легкие элементы. Тяжелые элементы - это в основном распространенные металлические материалы, такие как свинец, вольфрам, барий и т.д.
Они могут задерживать быстрые нейтроны, снижать энергию нейтронного пучка и превращать их в медленные нейтроны.
А нейтроны, замедленные тяжелыми элементами, нуждаются в дальнейшем замедлении легкими элементами, прежде чем они смогут быть поглощены веществами, поглощающими медленные нейтроны.
На этом этапе в основном используются такие материалы, как вода, парафин, полиэтилен и другие материалы с высоким содержанием водорода.
Только после обработки легкими элементами медленные нейтроны могут быть полностью поглощены и уничтожены материалами, содержащими литий или бор, такими как фторид лития, бромид лития, оксид бора и т.д.
В противном случае даже самые медленные нейтроны все равно будут разрушительны для материалов или человеческого организма.
Уже сама по себе обработка нейтронов настолько сложна, а материал первой стенки управляемого ядерного синтеза должен еще выдерживать высокие температуры, высокоэнергетические частицы дейтерия и трития, гамма-излучение, ионное загрязнение и другие проблемы.
Даже если материалы, созданные с помощью технологии атомной циркуляции и радиационных запрещенных зон, обладают способностью поглощать излучение и лучи, найти материал, который пропускает нейтроны, выдерживает высокие температуры и сохраняет способность к самовосстановлению, - довольно сложная задача.
Тем более, если исключить вариант с металлическими материалами, это еще сложнее.
Ведь неметаллических материалов, способных выдерживать температуру в несколько тысяч градусов, не так уж и много.
Керамические материалы - один из них, углеродные материалы - еще один (графит, алмаз и т.д. - тоже углеродные материалы), композитные материалы - тоже, но их видов очень много, и только некоторые из них пригодны.
В настоящее время неметаллических материалов, способных выдерживать температуру выше трех тысяч градусов Цельсия, всего несколько.
И все эти материалы, используемые в качестве материалов первой стенки, имеют свои недостатки.
Поэтому, услышав, что этот профессор Чжао сказал, что разработанный ими новый материал может иметь потенциал для применения в качестве материала первой стенки, Сюй Чуань был очень удивлен.
Ведь с тех пор, как он официально отдал приказ об исследовании материала первой стенки, прошло всего два-три месяца.
Даже если он с самого начала указал направление и соответствующие методы, а также с помощью математической модели расчета материалов Института материалов Чуаньхай, эта скорость все равно была слишком высокой.
Потратив около десяти минут, Сюй Чуань внимательно прочитал данные.
Судя по данным, Чжао Гуангуй и его команда разработали композитный материал на основе углеродных нанотрубок + углеродного волокна, армированного карбидом кремния + оксида гафния.
По своим свойствам он похож на жаропрочный композитный керамический материал и обладает большинством свойств жаропрочных керамических материалов.
Отличие заключается в том, что, поскольку основная структура состоит из углеродных нанотрубок и углеродного волокна, армированного карбидом кремния, теплопроводность значительно выше, чем у керамических материалов.
Теплопроводность обычных керамических материалов составляет 0,5-1 Вт/м·К, а теплопроводность этого композитного материала составляет 52,11 Вт/м·К, что превышает 40 Вт/м·К у графита.
Конечно, теплопроводность 50 Вт/м·К не является чем-то особенным для некоторых специальных керамик.
Например, теплопроводность керамической подложки из карбида кремния (SiC) может достигать 120-490 Вт/м·К, а теплопроводность керамической подложки из нитрида алюминия (AlN) составляет 170-230 Вт/м·К.
Эти две керамические подложки имеют лучшую теплопроводность среди керамических подложек, но их жаропрочность недостаточна.
Большинство карбидов кремния плавятся при температуре выше 1600 градусов, а нитрид алюминия, хотя и может быть стабильным до 2200 градусов, все же не соответствует требованию в 3000 градусов.
Конечно, если бы дело было только в недостаточной температуре, то с помощью оборудования водяного охлаждения можно было бы поддерживать температуру, но ключевым моментом является разрушение металлических связей нейтронным облучением.
Хотя оксид алюминия является керамическим материалом, металлическая связь алюминия является основной опорной связью, и нейтронное облучение особенно сильно разрушает металлические связи.
Что касается материалов из углеродных нанотрубок и углеродных волокон, то, хотя они могут выдерживать температуру более трех тысяч градусов в бескислородной среде, проблема поглощения дейтериево-тритиевого сырья слишком серьезна для чистых углеродных материалов.
В результате чистые углеродные материалы, такие как графен и углеродные нанотрубки, трудно применять на первой стенке.
Что касается этого армированного композитного материала, исследованного Чжао Гуангуем и его командой, то в бескислородной среде он может выдерживать сверхвысокую температуру более трех тысяч четырехсот градусов Цельсия.
Это значение, если сравнивать его с чистыми металлами, сравнимо только с вольфрамом.
Если это сплав, то до температуры плавления пентакарбида тетратантала-гафния (Ta4HfC5) в 4215 градусов Цельсия еще далеко.
Однако для применения на первой стенке термоядерного реактора этого достаточно.
Самое главное - это поглощение дейтериево-тритиевого сырья. Из результатов испытаний видно, что этот композитный материал не вступает в реакцию с самим материалом, если только высокоэнергетические ионы дейтерия и трития не выйдут из-под контроля и не столкнутся с поверхностью материала.
Положив документ на стол, Сюй Чуань поднял голову, посмотрел на Чжао Гуангуя и с интересом спросил:
"Это немного интересно. Судя по электронно-микроскопическому изображению поперечного сечения материала, похоже, что технология атомной циркуляции и структура радиационной запрещенной зоны привели к соединению углеродных нанотрубок с подложкой из оксида гафния, а химические связи углеродных нанотрубок заменили кислородные химические связи подложки из оксида гафния, образовав уникально упорядоченную кристаллическую структуру углеродных нанотрубок и гафния".
"И эта уникально упорядоченная кристаллическая структура углеродных нанотрубок и гафния должна быть ключевым моментом для жаропрочности и отсутствия поглощения ионов дейтерия и трития этим композитным материалом".
"Был ли проведен специальный осмотр этого процесса?"
Для него подробные данные о материале находятся прямо перед глазами, и нетрудно определить, в чем заключаются ключевые моменты этого материала.
Этот композитный материал, с его особой структурой кристаллической структуры углеродных нанотрубок и гафния, - это то, чего он никогда раньше не видел.
Чжао Гуангуй кивнул и сказал: "Мы провели проверку, но результаты не очень хорошие, мы не можем выделить эту кристаллическую структуру, о которой вы говорите, отдельно, и мы не можем воспроизвести эту уникально упорядоченную кристаллическую структуру углеродных нанотрубок и гафния отдельно с помощью углеродных нанотрубок и оксида гафния".
"Поэтому на данный момент мы можем получить только данные испытаний этого материала, а данные о внутренней структуре ядра получить невозможно".
После получения данных испытаний этого материала у некоторых членов исследовательской группы возникла та же идея, что и у Сюй Чуаня, и они предположили, что именно эта уникальная кристаллическая структура играет роль.
Просто впоследствии не было возможности выделить эту особую структуру, поэтому не было возможности подтвердить, играет ли она основную усиливающую роль.
Услышав это, Сюй Чуань потер подбородок и задумался.
Судя по данным испытаний, и теплопроводность, и жаропрочность, и прочность, и обычные физические свойства соответствуют требованиям к материалу первой стенки.
Конечно, более важным моментом являются не эти обычные свойства, а устойчивость к ударам высокоэнергетических частиц дейтерия и трития, гамма-излучению, ионному загрязнению и, самое главное, устойчивость к нейтронному облучению и другим высокоэнергетическим аспектам.
Первое не является большой проблемой, технология атомной циркуляции и структура радиационной запрещенной зоны были проверены.
В данных также есть результаты испытаний, которые, хотя и не являются полными, но позволяют составить представление о том, что материал довольно хорош.
Что касается последнего, то эксперименты еще не проводились.
Эксперименты с нейтронным облучением не так-то просто провести.
Сюй Чуань с интересом спросил: "Как вы пришли к идее этого материала?"
В данных он увидел следы двух технологий построения материалов - "атомной циркуляции" и "радиационной запрещенной зоны".
Наиболее очевидной была особая кристаллическая запрещенная зона, представленная на структурной схеме поперечного сечения, которая представляла собой кристаллическую структуру, используемую для поглощения β-излучения.
Услышав этот вопрос, Чжао Гуангуй смущенно улыбнулся и сказал: "Строго говоря, идея этого материала на самом деле не моя".
"После того, как вы поручили мне исследовать углеродные материалы в прошлый раз, я обратился к профессору Хань Цзиню и академику Пэну, чтобы узнать о разработанных вами технологиях атомной циркуляции и радиационной запрещенной зоны".
"В ходе обсуждения профессор Хань Цзинь упомянул разработанный вами полупроводниковый материал для преобразования радиационной энергии, который вы разработали при исследовании ядерных отходов. Учитывая, что первая стенка также будет подвергаться сильному радиационному воздействию, я подумал, что можно добавить в углеродный наноматериал немного карбида кремния в качестве примеси для создания полупроводника, который будет использоваться для отвода электрической энергии, преобразованной из радиационной тепловой энергии, чтобы в определенной степени поддерживать коэффициент стабильности самого материала".
"Исходя из этого направления исследований, а затем с помощью модели материала Института материалов Чуаньхай, мы постепенно добавляли в него другой материал - оксид гафния - в качестве усилителя".
"Неожиданно оксид гафния, используемый в качестве усилителя, претерпел неожиданные изменения с углеродными нанотрубками, и они образовали особую кристаллическую структуру, которая не только снизила теплопроводность углеродного материала, но и принесла новые изменения, оптимизировав недостаток углеродного материала, заключающийся в поглощении дейтериево-тритиевого сырья".
Услышав это, Сюй Чуань был немного удивлен и спросил: "Так это удача?"
Помолчав, он продолжил с улыбкой: "Конечно, в материаловедении удача - это тоже часть силы".
Чжао Гуангуй смущенно почесал затылок.
Действительно, если отбросить некоторые эмпирические процессы, то разработку этого материала можно назвать чистой случайностью.
Никто не ожидал, что оксид гафния, добавленный в качестве добавки к углеродному материалу, образует уникальную кристаллическую структуру углеродных нанотрубок и гафния с помощью технологии атомной циркуляции.
Это не только не было предсказано ими, исследователями, но и не было предсказано моделью расчета материалов Института материалов Чуаньхай.
Ведь изначально добавление подложки из оксида гафния с помощью модели было направлено только на повышение прочности углеродного материала.
Можно только сказать, что сложные реакции в области материалов не могут быть предсказаны даже суперкомпьютерами.
Или, другими словами, это небеса помогают им!
Обойдя эту тему, Чжао Гуангуй сглотнул, немного нервничая и беспокоясь, и продолжил: "Судя по данным испытаний, этот материал должен соответствовать требованиям к материалу первой стенки по всем параметрам, кроме нейтронного облучения. Осталось только посмотреть, как он поведет себя при нейтронном облучении".
Выбор материала первой стенки термоядерного реактора, можно сказать, является одной из самых сложных проблем, входящих в тройку лидеров.
Сложность ничуть не меньше, чем контроль высокотемпературной плазменной турбулентности и самообеспечение тритием.
Что касается того, какая из этих трех проблем сложнее, то это вопрос личного мнения. В любом случае, все они не являются легкими проблемами.
Сюй Чуань задумался и сказал: "Углерод и кремний могут сохранять сильную стабильность и целостность при нейтронном облучении, единственное, что вызывает опасения, - это эта новая кристаллическая структура углеродных нанотрубок и гафния, насколько она стабильна при нейтронном облучении".
"Хотя она сохраняет свою стабильность перед лицом ударов высокоэнергетических частиц дейтерия и трития и сильного излучения, природа распада металла гафния вызывает у меня некоторые опасения, он может не выдержать нейтронного облучения".
Подумав, что говорить, что материал, над которым другие так усердно работали, может не сработать, Сюй Чуань быстро добавил: "Конечно, это всего лишь мой теоретический анализ, основанный на данных, а каковы будут конкретные результаты, еще предстоит увидеть по данным эксперимента".
"После того, как устройство "Рассвет" будет отремонтировано после Нового года, мы сначала проведем испытания вашего материала, чтобы посмотреть, может быть, нам действительно повезет на этот раз?"
"Если результаты испытаний будут отличными, можно будет начать строительство демонстрационного реактора".
Услышав это, Чжао Гуангуй задышал немного быстрее.
Строительство демонстрационного реактора, если он сможет внести в него ключевой вклад, то в следующем году он должен без проблем стать академиком.
Но, подумав об этом, он быстро успокоился и нервно сглотнул.
Эксперимент с нейтронным облучением - это действительно ключ, если он не выдержит, то все предыдущие усилия и все отличные характеристики будут напрасны.
И то, что сказал этот большой человек перед ним, на самом деле не проблема.
Гафний является основным элементом, добавляемым в жаропрочные сплавы, а диоксид гафния - это керамический материал с широкой запрещенной зоной и высокой диэлектрической проницаемостью, что и стало причиной того, что они выбрали его в качестве добавки и катализатора на этот раз.
Но у гафния есть большой недостаток, когда речь идет о нейтронном облучении.
А именно, гафний очень дружелюбен к нейтронам. Проще говоря, гафний может поглощать нейтроны, причем в сотни раз эффективнее, чем обычные материалы.
В ядерных реакторах деления уран выступает в качестве ядерного топлива, а идеальным материалом для оболочки урановых стержней является материал с добавлением металла гафния.
Поскольку гафний обладает чрезвычайно высокой скоростью поглощения нейтронов, добавление лишь небольшого количества гафния может значительно снизить прозрачность нейтронов, высвобождаемых в процессе ядерного деления.
С этой точки зрения, вполне вероятно, что этот материал может иметь большие проблемы.
Подумав об этом, Чжао Гуангуй горько усмехнулся и сказал: "Гафний обладает чрезвычайно высокой скоростью поглощения нейтронов, а циркониевый сплав с добавлением гафния используется для оболочек урановых стержней".
"С этой ключевой точки зрения, я боюсь, что этот материал не пройдет нейтронное облучение".
Сюй Чуань улыбнулся и сказал: "Вероятность все еще есть, но я думаю, что она невелика".
Слегка помолчав, он продолжил: "Но мы не безнадежны, гафний обладает чрезвычайно высокой скоростью поглощения нейтронов, но не забывайте, что у него есть почти близнец - металлический элемент".
"Возможно, вы можете попробовать цирконий, цирконий и гафний относятся к группе VB таблицы Менделеева, их химические свойства очень похожи, и в природе они являются двумя типами металлов, которые сосуществуют вместе".
"Возможно, вы можете попробовать использовать оксид циркония в качестве добавки и катализатора, если мои предположения верны, это должно сработать".
Услышав это, глаза Чжао Гуангуя внезапно загорелись, и он быстро продолжил: "Самое главное, что цирконий имеет чрезвычайно низкую скорость поглощения нейтронов, и в цирконии достаточной чистоты нейтроны легко проходят сквозь него".
Сюй Чуань с улыбкой сказал: "Да, ядро атома циркония имеет очень низкую скорость поглощения нейтронов, единственная проблема в том, что он может поглощать водород, и, по аналогии, изотопы водорода дейтерий и тритий также будут поглощаться".
"Но в качестве добавки его количество не будет очень большим, и небольшая потеря дейтерия и трития в обмен на стабильность первой стенки приемлема".
Чжао Гуангуй быстро кивнул и сказал: "Я вернусь и подготовлю эксперимент заново!"