Глава 401. Последний шаг •
После празднования Нового года, на третий день нового года по лунному календарю, Сюй Чуань вернулся на базу проекта управляемого термоядерного синтеза в Цися.
Проблема разрыва магнитной поверхности, возникающая в процессе синтеза дейтерий-тритиевого топлива, и выбор материала первой стенки — два самых больших препятствия на этапе экспериментов по зажиганию дейтерий-тритиевого синтеза — получили намётки и направления для решения.
Как только они будут решены, можно будет начинать строительство демонстрационного реактора.
Куй железо, пока горячо. Не зная о прогрессе западных стран в области управляемого термоядерного синтеза, всё, что он мог сделать, — это попытаться максимально ускорить свои собственные шаги.
На третий день нового года на работу вернулся не только он, но и группа Чжао Гуангуя, занимающаяся разработкой углеродных композиционных материалов для первой стенки, а также исследователи и инженеры, вернувшиеся после новогодних каникул.
В исследовательской лаборатории вычислительных материалов Института проекта управляемого термоядерного синтеза в Цися Сюй Чуань нашёл Чжао Гуангуя, который возглавлял группу, усердно работавшую над разработкой нового типа углеродного композиционного материала.
«Как обстоят дела?» — спросил Сюй Чуань, найдя Чжао Гуангуя.
Он, естественно, спрашивал о разработке нового углеродного композиционного материала с использованием диоксида циркония вместо диоксида гафния в качестве катализатора, ведь это было ключом к решению проблемы первой стенки.
Чжао Гуангуй покачал головой и сказал: «Не очень обнадёживающе. Хотя диоксид гафния и диоксид циркония имеют схожие химические свойства, это всё же разные вещества.»
«В последний день перед Новым годом нам удалось изготовить образец углеродного композиционного материала, используя диоксид циркония в качестве катализатора, но результаты испытаний оказались не очень хорошими.»
«И по термостойкости, и по радиационной стойкости он уступает углеродному композиционному материалу, изготовленному с использованием диоксида гафния в качестве катализатора. Параметры не соответствуют требованиям к первой стенке.»
Сюй Чуань спросил: «Проблема заключается в той особой, уникально упорядоченной структуре кристаллов гафния в углеродных нанотрубках?»
Чжао Гуангуй кивнул и со вздохом сказал: «Да. После замены диоксида гафния диоксидом циркония в качестве катализатора, хотя и удалось изготовить углеродный композиционный материал, но та уникально упорядоченная структура кристаллов гафния в углеродных нанотрубках не появилась.»
«Ваше предыдущее предположение было верным. Судя по этому, именно эта особая структура кристаллов является ключом к значительному повышению термостойкости и радиационной стойкости углеродного композиционного материала с диоксидом гафния.»
Поразмыслив, Сюй Чуань сказал: «Покажите мне данные экспериментов.»
«Хорошо.» Чжао Гуангуй кивнул, повёл Сюй Чуаня в другую лабораторию и включил компьютер.
На экране отобразились данные.
Чжао Гуангуй уступил место и с уважением сказал: «Это данные испытаний. Времени было мало, некоторые тесты на радиационную стойкость ещё не завершены. Ожидается, что для получения полных данных потребуется ещё около трёх дней.»
Сюй Чуань не придал этому значения и сказал: «Ничего, я пока посмотрю.»
Иногда для понимания свойств материала не обязательно нужны все данные испытаний.
По сравнению с другими вещами, ему достаточно было взглянуть на изображения сканирующей электронной микроскопии этого нового материала и соответствующие данные.
Основная причина неудачи в разработке материала заключалась в том, что диоксид циркония не смог, как предполагалось, соединиться с атомами углерода и образовать особо упорядоченную структуру кристаллов гафния в углеродных нанотрубках.
Если удастся найти эту причину и устранить её, то дело почти сделано.
Положив руку на мышь, Сюй Чуань пролистал данные и сосредоточил внимание на результатах сканирующей электронной микроскопии.
Судя по изображениям, в углеродном композиционном материале, изготовленном с использованием диоксида циркония вместо диоксида гафния в качестве катализатора и усилителя, действительно не наблюдалось той особо упорядоченной структуры кристаллов гафния в углеродных нанотрубках.
Углеродные нанотрубки в материале были беспорядочно свалены вместе, и с точки зрения кристаллической структуры он мало чем отличался от обычного листа, спрессованного из порошка углеродных нанотрубок.
Другими словами, диоксид циркония не выполнял каталитическую функцию в материале, не вступал в эвтектическое взаимодействие с углеродными нанотрубками, образуя кристаллы циркония в углеродных нанотрубках.
Просматривая данные испытаний, Сюй Чуань спросил Чжао Гуангуя, стоявшего рядом: «Вы выдвигали какие-нибудь предположения о причине?»
Чжао Гуангуй с горькой усмешкой ответил: «Есть, конечно, но за короткое время невозможно получить какой-либо результат анализа.»
«Теоретически, цирконий и гафний относятся к элементам лантаноидного сжатия, их химические свойства очень похожи, а электронная конфигурация внешних оболочек одинакова. Не должно быть такого, чтобы гафний мог образовывать кристаллическую структуру, а цирконий — нет.»
Анализ материала, понимание причин и процессов его формирования с точки зрения физики, химии и материаловедения — само по себе сложная задача.
Более того, они даже не знали, почему диоксид гафния в качестве катализатора образует уникальную структуру кристаллов гафния в углеродных нанотрубках в углеродном композиционном материале.
В такой ситуации найти причину, по которой диоксид циркония не может выступать в качестве катализатора для совместного образования кристаллов циркония в углеродных нанотрубках, было чрезвычайно сложно.
Сюй Чуань погладил подбородок и сказал: «Отправьте мне эти данные испытаний, я сначала вернусь и посмотрю.»
Его познания в области материалов были несравнимы с познаниями обычных исследователей материалов, таких как Чжао Гуангуй. Теоретически, замена гафния цирконием для совместного образования уникальной кристаллической структуры с углеродными нанотрубками не должна вызывать проблем.
Но раз проблема возникла, значит, где-то есть ошибка.
Он собирался взять эти данные с собой и изучить их, чтобы попытаться найти проблему с помощью вычислительной математики материалов.
Хотя в Институте материалов Чуаньхай и была модель для расчёта материалов, но модель, в конце концов, была статичной и несовершенной, она не могла учитывать все аспекты.
Поэтому он решил лично заняться этим исследованием.
Взяв данные, Сюй Чуань вернулся в свой кабинет.
Для него математика была не только самостоятельной дисциплиной, но и мощным инструментом научных исследований, помогающим другим дисциплинам.
Хотя во многих случаях, особенно в материаловедении, результаты, полученные с помощью математических расчётов, не дают прямого ответа, но соответствующий анализ может служить ориентиром, помогая ему избежать многих ошибок при разработке новых материалов.
Особенно сейчас, когда ему не нужно было проводить анализ от начала до конца, а достаточно было сосредоточиться на конкретных этапах.
Уставившись в данные и изображения на компьютере, Сюй Чуань погрузился в размышления.
Хотя вычислительные материалы были его сильной стороной, найти конкретную причину, по которой диоксид циркония не мог сосуществовать с углеродными нанотрубками, было довольно сложно.
Поразмыслив некоторое время, он взял со стола шариковую ручку.
【Псевдопотенциал GPAW: 1s22s22p6Zr3s23p64s23d104p65s24d2】
【Сходимость по энергии: Ve=∫dru(r)ψ+0.05эВ/(r)ψ(r)ab】
【Сходимость по плотности электронов: p(r)=|ψ+(r)ψ(r)|Φ10-6эВ】
В вычислительном материаловедении, если необходимо достичь химической точности с помощью методов расчёта на электронном уровне, обычно за основу берётся волновая функция.
Но из-за ограничений по объёму вычислений, когда речь идёт о свойствах не объёмных материалов, таких как границы раздела, часто приходится использовать альтернативные методы, например, построение термодинамических фазовых диаграмм. Учитывая чрезвычайно сложную поверхность потенциальной энергии, динамика практически неразрешима.
По мнению Сюй Чуаня, вычислительные материалы — эта новая область — очень интересна.
Будь то объединение экспериментальных данных, построение математической модели и последующее численное моделирование, воспроизводящее реальный технологический процесс;
Или же с помощью вычислительного моделирования, ориентированного на конкретные материалы, конкретные физические механизмы или механизмы реакций, прямое использование теоретических моделей и численных расчётов для прогнозирования, проектирования или модификации структуры и свойств материалов.
Все эти направления имеют весьма широкие перспективы.
Просто сейчас эта область всё ещё ждёт освоения научным сообществом.
Так дни шли один за другим. Сюй Чуань заперся в своём кабинете, используя математические инструменты для теоретического улучшения эвтектических свойств добавки диоксида циркония, а Чжао Гуангуй продолжал проводить эксперименты.
Остальные также напряжённо и организованно трудились на своих рабочих местах.
Время пролетело, и наступило 12-е число первого месяца по лунному календарю. В последний день двенадцатого года Сюй Чуань, наконец, завершил последний этап вычислений.
Он нашёл проблему с помощью вычислений!
Проверив данные и убедившись, что ошибок нет, он потянулся к телефону, собираясь позвонить Чжао Гуангую и попросить его прийти, как тот сам появился в кабинете.
"Академик Сюй, результаты испытаний на нейтронное облучение углеродного композиционного материала, синтезированного с использованием диоксида гафния в качестве катализатора, из Даявань пришли."
С пачкой документов Чжао Гуангуй подошёл к Сюй Чуаню и доложил о результатах нейтронного облучения углеродного композиционного материала с диоксидом гафния.
Сюй Чуань с улыбкой спросил: "Каков результат?"
Чжао Гуангуй вздохнул и сказал: "Очень плохой. Низкоэнергетический пучок нейтронов сильно разрушает образец материала. При уровне энергии нейтронов 3 МэВ и расстоянии 1,5 мкм, DPA достиг 3,01, что ниже, чем у аустенитной стали."
"А в диапазоне температур испытаний от комнатной до 300°C усадка облучённого сечения составила 73%～80%."
DPA (смещения на атом) - это метод измерения степени радиационного повреждения материала. Он представляет собой отношение числа смещений атомов решётки из исходных положений под действием бомбардирующих частиц к общему числу атомов в решётке.
3,01 DPA означает, что каждый атом в материале в среднем сместился из своего исходного положения 3,01 раза.
На первый взгляд, это может показаться немного, но для материала первой стенки это уже довольно высокое значение, не говоря уже о том, что в последующих испытаниях сечения усадка достигла более семидесяти процентов.
Все эти данные означают, что после того, как структура кристаллов гафния в углеродных нанотрубках была повреждена нейтронным облучением, характеристики углеродного композиционного материала резко снизились.
Услышав эту новость, Сюй Чуань не был слишком удивлен.
Перед Новым годом он сделал предположение на основе своих собственных расчетов и пришел к выводу, что углеродный композиционный материал с диоксидом гафния, скорее всего, не подойдет.
Теперь, когда результаты были получены, все оказалось так, как он и предполагал.
Улыбнувшись, Сюй Чуань спросил: "Как продвигается исследование углеродного композиционного материала с диоксидом циркония?"
Чжао Гуангуй покачал головой и со вздохом сказал: "Пока нет значительного прогресса. Простите, что разочаровал вас."
Сюй Чуань улыбнулся, пару раз щелкнул мышью, затем встал и направился к принтеру.
Подождав немного, он взял распечатанные документы из принтера, протянул их Чжао Гуангую и с улыбкой сказал: "Ничего страшного, не переживайте. Это само по себе очень сложная работа, и отсутствие прогресса за короткое время - это нормально."
"Сначала посмотрите это."
Чжао Гуангуй с некоторым недоумением взял распечатанные листы и уставился на них.
Увидев, что на них написано, он резко вздрогнул.
"Вы нашли проблему?!"
Глядя на формулы и выводы в документе, Чжао Гуангуй не смог сдержать внутреннего потрясения и выпалил вопрос.
Сюй Чуань с улыбкой кивнул и сказал: "Теоретически да, но всё будет зависеть от результатов экспериментов."
Помолчав, он продолжил: "Конкретные эксперименты я поручаю вам. Если возможно, я бы хотел, чтобы вы с командой изготовили эти материалы в течение пяти дней, а затем завершили испытания в течение недели."
"Дело в том, что эксперименты по облучению медленными нейтронами в Даяване начинаются каждый месяц, а сегодня уже четырнадцатое число по григорианскому календарю. Если мы пропустим этот цикл, нам придётся ждать следующего, а это слишком долго."
Испытания материалов первой стенки — это, на самом деле, довольно хлопотное дело.
Сначала проводятся обычные испытания физических свойств, таких как теплопроводность, термостойкость, радиационная стойкость и т. д., которые можно провести здесь, в Цися.
После подтверждения того, что эти базовые свойства соответствуют требованиям, материал отправляется в Даявань для испытаний на облучение медленными нейтронами.
Если результаты испытаний на облучение медленными нейтронами в Даяване будут хорошими, он рассмотрит возможность проведения реальных испытаний на облучение высокоэнергетическими нейтронами дейтерий-тритиевого синтеза в установке "Рассвет".
Ведь в нынешней ситуации каждый запуск установки "Рассвет" с реальным зажиганием дейтерий-тритиевого синтеза наносит установке некоторый необратимый ущерб.
Для устранения этих повреждений каждый раз требуется огромное количество человеческих и материальных ресурсов, а также финансирование, не говоря уже о том, что по времени это занимает не менее полумесяца, а в худшем случае может затянуться и на месяц.
А каждая остановка установки "Рассвет" для технического обслуживания — это затягивание этой "гонки за управляемый термоядерный синтез".
Услышав это, Чжао Гуангуй выпрямился, с серьёзным лицом, чуть ли не отдавая честь, ответил: "Будьте уверены, я приложу все усилия!"
Сюй Чуань с улыбкой кивнул и сказал: "Хорошо, тогда я полагаюсь на вас в этом деле."
Лаборатория вычислительных материалов работала очень эффективно.
Или, можно сказать, после того, как Сюй Чуань выяснил причину, по которой диоксид циркония не мог образовывать структуру кристаллов циркония в углеродных нанотрубках, подобно диоксиду гафния, эксперименты продвигались очень гладко.
Чжао Гуангуй с командой ночевали на раскладушках и спали на креслах в лаборатории, работая круглосуточно, и всего за три дня первая партия образцов углеродного композиционного материала, изготовленного с использованием диоксида циркония в качестве катализатора, была успешно изготовлена.
Образцы материалов один за другим отправлялись в различные устройства для быстрого проведения различных испытаний. Когда появились данные сканирующей электронной микроскопии, Чжао Гуангуй сразу же нашёл Сюй Чуаня, переполненный волнением и восторгом.
"Профессор, данные сканирующей электронной микроскопии нового материала... готовы!"
"Углеродные нанотрубки и атомы циркония, похожая кристаллическая структура, сформировалась!"
"У нас есть надежда!"
Задыхаясь, Чжао Гуангуй, прибежавший сюда, прерывисто, в несколько фраз, бессвязно выразил свою мысль.
Сюй Чуань встал и взял у него данные испытаний.
На изображении сканирующей электронной микроскопии особая кристаллическая структура циркония и углеродных нанотрубок была видна очень чётко.
И хотя некоторые другие данные испытаний имели некоторые погрешности и расхождения по сравнению с результатами, которые он смоделировал с помощью методов вычислительного материаловедения, например, термостойкость снизилась до 3100 градусов, что почти на 400 градусов ниже, чем у углеродного композиционного материала, катализированного диоксидом гафния.
Но термостойкости в 3100 градусов было достаточно для применения в материале первой стенки.
Судя по результатам испытаний, эти образцы в основном соответствовали его предыдущим расчётам.
Теперь остался последний шаг!
Теоретически, углеродный композиционный материал с использованием циркония вместо гафния в качестве катализатора полностью удовлетворяет требованиям по стойкости к нейтронному облучению.
Конечно, всё будет зависеть от результатов экспериментов.
Но, по крайней мере, его расчёты никогда не ошибались!
На этот раз надежда была велика!
Просмотрев данные испытаний, Сюй Чуань улыбнулся и с похвалой сказал: "Отлично, спасибо вам за работу. Я организую срочную доставку материала в Даявань для первого этапа испытаний на облучение медленными нейтронами."
"А сейчас..."
Помолчав, он посмотрел на Чжао Гуангуя, у которого были тёмные круги под глазами и который едва стоял на ногах, и продолжил: "Вы хорошо потрудились, идите домой и отдохните. Остальную работу можно делать не спеша."
Стоит отметить, что более половины сотрудников лаборатории исследования материалов были профессорами средних лет, такими как Чжао Гуангуй, которым было около сорока.
Они были в самом расцвете сил, у них были и энергия, и опыт.
Но каким бы ни был расцвет сил, после десяти дней и полумесяца непрерывной работы по ночам, если они не падали в лаборатории, это уже было большой удачей.