Глава 399. Проблемы которые можно решить с помощью математики не являются проблемой •
После ухода Чжао Гуангуя Сюй Чуань вновь сосредоточился на своих предыдущих исследованиях разрыва магнитной поверхности, моды скручивания, магнитных островов плазмы и других проблем.
Он посмотрел на компьютер, и, за исключением части данных, большая часть моделей, которые работали в суперкомпьютерном центре, все еще обрабатывалась.
Даже с помощью суперкомпьютера не так-то просто смоделировать эффект разрыва магнитной поверхности, возникающий в процессе слияния высокотемпературного и высокоплотного потока дейтериево-тритиевой плазмы.
Ведь объем данных слишком велик.
Слегка проверив работу модели и убедившись, что с ней все в порядке, Сюй Чуань снова взял данные, которые ранее принес Чжао Гуангуй, и перечитал их.
Он был очень заинтересован в этом пока еще безымянном новом материале.
Ведь композитный материал, способный выдерживать температуру в три тысячи пятьсот градусов, имеет поразительную ценность.
Даже если он не обязательно может быть использован в качестве материала первой стенки управляемого ядерного синтеза, он все равно имеет достаточную ценность.
Помимо обычного использования в качестве высокотемпературных огнеупорных материалов, таких как абразивы, литейные формы, сопла, жаропрочные кирпичи и т.д., жаропрочные материалы также могут использоваться в качестве структурных компонентов для истребителей, ракет и других передовых технологий.
Например, американский космический челнок, самый внешний слой материала которого представляет собой слой жаропрочного изоляционного керамического материала.
Конечно, этот материал, безусловно, не достигнет такого уровня.
Поскольку у него есть важный недостаток: в случае, когда большая часть материала состоит из углеродных наноматериалов, его жаропрочные свойства могут выдерживать высокие температуры только в вакууме, а условия использования довольно жесткие.
Для управляемого ядерного синтеза это не проблема, ведь камера реактора после запуска находится в вакууме.
Но для аэрокосмической отрасли это большая проблема.
Ведь в большинстве истребителей, ракет и космических челноков области, где требуются жаропрочные материалы, подвергаются воздействию воздуха.
Например, двигатели самолетов, внешние изоляционные материалы ракет и космических челноков.
Конечно, если покрыть этот новый материал слоем жаропрочного покрытия, изолирующего воздух, его можно было бы использовать в двигателях.
Вот только срок службы покрытия, как правило, является большой проблемой, особенно в двигателях истребителей, где условия работы крайне суровы.
Если бы можно было оптимизировать характеристики этого нового материала, оптимизировать углеродный материал внутри него, чтобы он мог выдерживать температуру выше трех тысяч градусов в обычной среде, то ценность этого нового материала была бы велика.
Но это нелегко сделать, по крайней мере, в краткосрочной перспективе, он не может найти хорошего вдохновения и идей из данных, представленных перед ним.
Конечно, это всего лишь попутное дело.
По сравнению с оптимизацией жаропрочности этого нового материала в воздухе, Сюй Чуань больше хочет посмотреть, сможет ли он с помощью математики вычислить, сможет ли этот новый материал выдержать нейтронное облучение.
Невозможно проверить радиационное повреждение материала при нейтронном облучении с помощью математических инструментов и моделей.
Ведь провести настоящий эксперимент с нейтронным облучением слишком сложно.
Не говоря уже о других странах, в Китае есть лишь несколько мест, которые имеют возможность и квалификацию для проведения полных экспериментов с нейтронным облучением.
Одно из них - атомная электростанция деления в Даяване, а другое - база источника нейтронов скалывания, расположенная в Дунгуане.
Первая использует нейтроны, испускаемые самим ядерным делением, для проведения экспериментов по облучению, а вторая использует ускоритель протонов сильного тока для ускорения протонов, которые сталкиваются с вольфрамом, бериллием и другими металлами для создания нейтронов, а затем проводит испытания нейтронного облучения.
Но независимо от того, какой из них, существует значительный разрыв в энергии от нейтронов, образующихся при реальном дейтериево-тритиевом синтезе.
Каждое слияние ядер дейтерия и трития производит нейтрон с энергией 14,1 МэВ, хотя в большом адронном коллайдере 14,1 МэВ не считается высокой энергией.
Но для создания нейтронов такой высокой энергии, в любом случае, в настоящее время нет другого способа, кроме взрыва водородной бомбы и дейтериево-тритиевого синтеза.
Это также одна из причин, по которой трудно разработать материал первой стенки.
Нет возможности провести эксперимент с нейтронным облучением, но материал первой стенки невозможно не разработать, поэтому физики объединились с материаловедами и программистами, чтобы создать "программу обработки ядерных данных", которая включает в себя измерение "эффекта нейтронного облучения".
На самом деле принцип очень прост, он использует механизм повреждения нейтронным облучением, чтобы сделать феноменологический или большой прогноз данных о столкновении нейтронного пучка с материалом мишени.
Поскольку энергия, переносимая разными нейтронами, различна, например, высокоэнергетические нейтроны в процессе дейтериево-тритиевого синтеза будут нести энергию 14,1 МэВ, и можно предсказать, какой ущерб они нанесут материалу мишени.
Ведь в процессе взаимодействия несущего энергию нейтрона с атомом мишени нейтрон сначала должен взаимодействовать с атомом решетки (т.е. столкнуться), а затем несущий энергию нейтрон может передать энергию этому атому решетки, создавая атом столкновения KPA.
И будет ли этот атом столкновения KPA продолжать покидать ядро атома, сталкиваться со следующим атомом, сколько энергии будет потеряно при передаче, все это имеет первоначальные записи и может быть далее предсказано.
Просто этот вид моделирования сам по себе является феноменологическим, и смоделированные данные более или менее "немного" ненадежны.
Ссылаясь на феноменологическую математическую модель, которую он ранее построил для плазменной турбулентности, первый эксперимент едва достиг 45 минут контроля.
А после получения точных экспериментальных данных и целенаправленной корректировки и оптимизации время работы было увеличено до более чем двух часов.
Из этого видно, насколько ненадежна феноменологическая модель.
Но в области экспериментов с нейтронным облучением нет другого выхода.
Хотя результаты, полученные при моделировании, не обязательно надежны. Но, по крайней мере, лучше сначала использовать феноменологическую модель, чтобы исключить часть материалов, а затем провести конкретные эксперименты, чем делать это напрямую.
Собрав данные о материалах в руке, Сюй Чуань ввел их в компьютер.
Хотя материал является новым, углерод, карбид кремния и оксид гафния - все это обычные вещества в экспериментах с нейтронным облучением. Единственная нестабильная точка заключается в этой уникально упорядоченной кристаллической структуре углеродных нанотрубок и гафния, для которой нет соответствующих эмпирических данных в прошлом, и Сюй Чуань может сделать только предположение, основанное на обычных данных испытаний на облучение в данных.
Подумав об этом, Сюй Чуань достал из ящика стопку бумаги формата А4.
Черная ручка в его руке остановилась на бумаге, и после недолгого раздумья он начал писать.
"Не учитывая эффекты кристаллов и потенциал межатомного взаимодействия, расчеты проводятся в соответствии с классической механикой. Пусть: масса падающего нейтрона m1, энергия eo; масса покоящегося атома мишени m2".
"Тогда формулу расчета DPA можно выразить как DPA = (∫σpx(e)(e)Φe)t (6), а obx(e) - поперечное сечение смещения падающей частицы с энергией e, t - время облучения".
"Вывод: σpx(e) = 2∑i∫tmax, td·vd(t)·dσd(t, e)/dt·dt".
"vd(t) = (0,8/2td)·tdam".
Строка за строкой формулы были написаны Сюй Чуанем, и если бы он использовал модель Линдхарда-Робинсона для расчета DPA в условиях нейтронного облучения, ему было бы достаточно ввести данные в модель.
Однако уникально упорядоченная кристаллическая структура углеродных нанотрубок и гафния требует от него пересчета некоторых переменных, связанных с материалом, особенно скорости поглощения нейтронов гафнием, которая является ключевым моментом для расчета.
Вместо того чтобы модифицировать модель Линдхарда-Робинсона и создавать новую, ему лучше сделать расчеты ручкой напрямую.
В любом случае, это не сложно.
По крайней мере, для него.
Для него проблемы, которые можно решить с помощью математики, не являются проблемой.
Неизвестно, сколько времени прошло, когда Сюй Чуань опустил черную ручку в руке, на листе бумаги, специально использованном для перечисления данных расчета, был ряд функций.
【PWR·DPA, DPA/с = 2,718e-08】
【PWR·He, appm/с = 6,172e-09】
【HTTR·DPA, DPA/с = 2,602e-09】
【HTTR·He】
Подняв со стола черновик и посмотрев на результаты, Сюй Чуань вздохнул с облегчением и не смог удержаться от того, чтобы покачать головой.
Судя по результатам моделирования, очевидно, что этот новый материал не очень хорошо показал себя в численном расчете моделирования нейтронного облучения.
Он даже не так хорош, как аустенитная сталь.
Что касается ключа, то он должен заключаться в добавке оксида гафния.
В конце концов, для материала, устойчивого к нейтронному облучению, не вся энергия падающих частиц, передаваемая пораженному атому, приводит к радиационному повреждению материала.
Энергия нейтронов передается внутрь атома, вызывая ионизацию и эффекты электронного возбуждения, но она не сохраняется в материале, и только часть энергии передается ядру атома, создавая вторичные смещения и образуя точечные дефекты, эта часть энергии называется энергией радиационного повреждения.
Проще говоря, нейтрон сталкивается с атомом материала, и если энергия, переданная атому в точке решетки, превышает определенный минимальный порог, этот атом покидает свое нормальное положение в решетке, оставляя вакансию в решетке, не говоря уже о том, что выбитый атом будет продолжать создавать множественные столкновения в материале.
Это как игра в бильярд: когда вы можете использовать бесконечную силу, чтобы ударить по битку, биток передаст силу другим шарам.
И пока эти шары находятся на столе достаточно долго, всегда наступает момент, когда они попадают в лузу.
Конечно, это лишь теоретическая возможность, на самом деле бильярдные шары остановятся по разным причинам, или не попадут в лузу из-за угла.
То же самое и с нейтронами, Сюй Чуаню нужны эти нейтроны, попадание в лузу эквивалентно тому, что нейтрон успешно проходит через этот материал первой стенки, а те, которые находятся под неправильным углом, вызовут радиационное повреждение.
А гафний имеет чрезвычайно высокую скорость поглощения нейтронов, и в этом процессе начальное значение будет значительно увеличено, что приведет к увеличению повреждений, вызванных эффектом нейтронного облучения.
Это фатальный недостаток для материала первой стенки.
Хотя данные, рассчитанные по формуле Линдхарда-Робинсона, являются феноменологическими, они также могут в целом отражать характеристики материала с точки зрения стойкости к нейтронному облучению.
Но хотя результаты расчетов были очень плохими, Сюй Чуань не был обескуражен.
Напротив, в его глазах был намек на волнение.
Потому что этот расчет подтвердил его предыдущие предположения.
Оксид гафния не работает в качестве добавки в материал, а как насчет оксида циркония?
Цирконий не сильно отличается от гафния по своим химическим свойствам, но когда речь идет о скорости поглощения нейтронов, то это две крайности.
Гафний чрезвычайно дружелюбен к нейтронам, его скорость поглощения более чем в 500 раз выше, чем у циркония.
Если оксид циркония сможет заменить оксид гафния в качестве добавки для восстановления этого нового типа углеродного композитного материала, возможно, материал первой стенки действительно будет создан.
Глядя на данные на черновике, Сюй Чуань почувствовал в глазах намек на радость и волнение.
Теперь осталось только дождаться, пока Чжао Гуангуй и другие заменят оксид гафния оксидом циркония и заново синтезируют материал, надеюсь, все пройдет гладко.