КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер 20-12-00203

НазваниеНакопление дейтерия и гелия в материалах нового поколения на основе вольфрама и на основе мало-активированных сталей и соответствующие модификации материалов при взаимодействии с плазмой

РуководительОгородникова Ольга Вячеславовна, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ", г Москва

Период выполнения при поддержке РНФ 2023 г. - 2024 г. 

Конкурс Конкурс на продление сроков выполнения проектов, поддержанных грантами Российского научного фонда по приоритетному направлению деятельности Российского научного фонда «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами» (45).

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе, 02-501 - Физика высокотемпературной плазмы и УТС

Ключевые словавзаимодействие плазмы с материалом, изотопы водорода, гелий, малоактивируемые ферритно- мартенситные стали, современные вольфрамовые материалы, многоуровневое моделирование, импульсные тепловые нагрузки, нано-структурированная поверхность

Код ГРНТИ58.34.09, 53.49.17, 29.19.21

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Энергетический кризис и огромный потенциал термоядерной энергетики побуждают нас прилагать большие усилия для развития ядерного синтеза. Термоядерная энергетика – это возможность для человечества сохранить текущий уровень энергопотребления при исчерпании углеводородного топлива и запасов U235. Окончательное применение термоядерной энергии в основном зависит от разработки ключевых материалов в термоядерном реакторе, ТЯР, в котором выбор материалов, контактирующих с плазмой является одним из важнейших вопросов как с точки зрения безопасности реакторов из-за радиоактивности трития и изменения свойств материала в процессе эксплуатации, так и для расчета топливного баланса в плазме. Сложность предсказания накопления изотопов водорода и модификации материала заключается в синергетическом взаимодействии многих процессов, а именно высокая плазменно-тепловая нагрузка на материал в комбинации с продуктами DT-реакции, а именно, гелия и нейтронов. Экстраполяция данных из действующих токамаков на ИТЭР и ДЕМО реакторы, ненадежна, так как реализуемые условия плазмы различны в настоящих токамаках и далеки от условий пристеночной плазмы в будущих реакторах. Также в действующих токамаках существует проблема управления параметрами пристеночной плазмы и порой невозможно и дорого заменить существующие материалы на новейшие перспективные материалы, разрабатываемые для использования в экстремальных условиях эксплуатации и еще недоступные для коммерческого производства. Поэтому для понимания физики процессов для более надежного прогнозирования проводятся лабораторные эксперименты, где есть возможность контролирования параметров облучения и изучения фундаментальных закономерностей поведения водорода, гелия и дефектов в комплексных материалах (наноструктурированных и обогащенных Cr в растворе и дисперсией частиц Y2O3) в зависимости от условий эксперимента. Нами было проведено сравнение накопления дейтерия и гелия в материалах при воздействии стационарной плазмой с добавками инертных газов и при переходных процессах, что позволило определить основные закономерности взаимодействия стационарной и импульсной плазмы с перспективными материалами в зависимости от температуры, энергии, потока ионов и дозы облучения. Однако взаимодействие плазмы с материалом в термоядерном реакторе многофакторное и многие вопросы остаются открытыми. Одним из таких вопросов является взаимодействие водорода и гелия с радиационными дефектами и дефектами, созданными в материале при срывах плазмы (микро-трещины). Другим вопросом является захват водорода и гелия в перепыленных слоях на стенке токамака, который зависит от потоков ионов и от температуры подложки, что требует изучения. Данные вопросы являются критическими для работы токамака и до сих пор не решены, что задерживает разработки новейших материалов для применения в экстремальных условиях. Данное исследование внесет вклад как и в фундаментальное понимание образования радиационных и плазменно-индуцированных дефектов и их взаимодействия с водородом и гелием, так и в физику со-осаждения металла в газовом разряде для создания пленок с заданными свойствами. Данный комплексный подход позволит впервые выявить какой процесс является критическим с точки зрения накопления топлива и модификации материалов, и, тем самым, улучшить оценки накопления топлива в реакторе и получить рекомендации по уменьшению накопления топлива и улучшению свойств материалов относительно плазменных и радиационных нагрузок. Полученные в ходе выполнения проекта результаты смогут также быть использованы в ряде смежных областей таких как атомная и водородная энергетика, полупроводниковая технология, где применяются наноструктурированные оксиды вольфрама, ракетно-космическая техника и другие, где есть необходимость применения современных материалов с контролируемой нано- и микро-структурой и добавками легирующих элементов.

Ожидаемые результаты
Ограниченная доступность материалов для экстремальных условий эксплуатации все больше и больше становится препятствием для прорывных промышленных инноваций. Разработка новых материалов, устойчивых к экстремальным нагрузкам, является одним из ключевых направлений развития энергетики. Материалы нового поколения для термоядерного реактора, разрабатываемых новейших ядерных и гибридных реакторов, в том числе материалы на основе вольфрама и современных сталей, находятся на стадии разработки в данный момент и еще не доступны в коммерческих масштабах, и очень мало известно об изменении их свойств при нейтронном и плазменном облучении. Предсказание генерации радиационных и плазменно-индуцированных дефектов и накопления трития и гелия в этих дефектах, а также в перенапыленных пленках является важным с точки зрения радиационной безопасности, водородного охрупчивания и гелиевого разбухания материала, а также мониторинга тритиевого цикла в реакторе. В плане исследований данного проекта затронуты масштабные вопросы многофакторного воздействия на материалы в условиях эксплуатации в термоядерном реакторе, а также в проектируемом гибридном реакторе, такие как накопление дейтерия и гелия, создание радиационных дефектов, тепловые и плазменные нагрузки в условиях действия краевых локализованных мод, ЭЛМов, и срывов плазмы в токамаке, изменение поверхностных слоев, формирование со-осажденных пленок, содержащих дейтерий и гелий. Поэтому фундаментальное исследование многофакторного воздействия с использованием комплексных подходов является актуальным. В рамках работы будут проведены исследования фундаментальных закономерностей взаимодействия водородной и гелиевой плазмы с радиационными и плазменно-индуцированными (микро-трещины) дефектами в перспективных материалах. Впервые будет выявлено влияние нано-частиц иттрия и хрома на образование радиационных дефектов в вольфраме и их последующее влияние на захват дейтерия и гелия в материалы на основе вольфрама, облученные плазмой. Будет выявлено влияние нано-частиц хрома на образование радиационных дефектов в мало-активированных ферритно-мартенситных сталях и их последующее влияние на захват дейтерия и гелия в стали, облученные плазмой. Комбинируя современные методы исследований такие как анализ радиационных дефектов методом томографической атомно-зондовой микроскопии и просвечивающей электронной микроскопии, анализ взаимодействия дейтерия и гелия с радиационными дефектами методом термодесорбции, будет получено глубокое понимание физики атомарных процессов, предсказание использования различных видов вольфрама как материалов, подверженных облучению нейтронами и контактирующих с плазмой, и даны рекомендации по улучшению радиационной стойкости вольфрамовых материалов и их толерантности к накоплению изотопов водорода и гелия. Будут выполнены работы по со-осаждению металла в дейтериево-гелиевой плазме для моделирования накопления топлива в перенапыленных пленках в зависимости от потоков ионов и температуры образца с целью комплексного прогнозирования накопления трития и гелия в реакторе. Результаты выполнения проекта без сомнения будут важны для реализации управляемого термоядерного синтеза, а также внесут вклад в развитие материалов для новейших ядерных и гибридных реакторов. Ожидаемые результаты являются потенциалом существенного продвижения в понимании физики взаимодействия плазмы с материалами, для выработки принципиально новых подходов к созданию технологии материалов нового поколения, представляют значительный интерес для ядерных, химических, и энергетических технологий. Результаты имеют долгосрочные перспективы для новых наукоёмких разработок и создания материалов для управляемого термоядерного реактора, для прогноза накопления топлива в современных разрабатываемых ядерным и гибридных реакторах, отвечающих национальным интересам Российской Федерации и необходимых для существенного повышения качества жизни населения за счет использования высокоэффективного и экономного источника энергии и экономии углеводородных и иных ресурсов в энергетике. В рамках выполнения проекта предполагается создание новых методов и подходов решения поставленных задач, соответствующих передовым разработкам в данной области исследований, так как использование уникальных установок, не имеющих мировых аналогов в сочетании с комплексным подходом, позволяющим получить результаты в широком диапазоне параметров, обеспечит достижение результатов не только соответствующих мировым, но и превышающих их. Также возможно использование полученных данных для применения в полупроводниковой технологии, где применяются наноструктурированные оксиды вольфрама. Покрытия, полученные в результате со-осаждения металла в плазме являются интересными не только с точки зрения исследований для термоядерной энергетики, но и могут иметь новые важные термальные, механические, магнитные, и структурные свойства для использования в ряде смежных областей, например, в качестве барьерного слоя в полупроводниковых интегральных схемах и технологии Al-W, или как абсорбционные слои в литографировании рентгеновского снимка, и т.п. Вышеизложенный подход может быть использован для разработки новой плазменной технологии для получения высокопористых материалов с фрактальной нано- и микроструктурой с запрограммированными свойствами шероховатости, для химических, инженерных, авиакосмических технологий, для биотехнологий и биомедицинских применений. Получаемые структуры при облучении непосредственно гелием, могут быть применены для ускоренного развития «зеленой» энергетики, в которой требуются новые каталитические материалы на основе наноструктурированных халькогенидов вольфрама и молибдена. Предварительное структурирование увеличивает рабочую поверхность фотокатализатора и способствует повышению его эффективности. Разработка технологии магнетронного осаждения структурированного вольфрама на основе полученных результатов данной работы позволит кратно увеличить производительность производства фотокаталитических элементов. Такая технология выведет наше государство на лидирующие позиции в мировых разработках в области «зелёной» энергетики.

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
Были получены и проанализированы методами ПЭМ, СЭМ и АЗТ перспективные материалы для применение в ядерной и термоядерной энергетике, а именно cамопассивируемые ‘умные’ ODS вольфрамовые сплавы W-(10-11.4)wt%Cr-(0.5-0.6)wt%Y и мало-активируемые ферритно-мартенситные стали Еврофер (Fe–9Cr–1W–0.1C-0.2V–0.14Ta–0.03N) и ODS Еврофер (Fe–9Cr–(1-2)W-0.15Si-0.5Ti–0.35Y2O3). (ODS - дисперсно-упрочненный оксидами). Методом просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) было получено, что исследованные сплавы W-Cr-Y в исходном состоянии представляют однородный твердый раствор, состоящий из единственной метастабильной фазы оцк (αW,Cr) с содержанием W(70+-3 ат.%), Cr(30+-3 ат.%), а так же с незначительным содержанием примесей в виде Fe (<0.3 ат.%), Co (<0.12 ат.%), являющихся следствием изготовления материала методом механического легирования. Исследованные объемы отоженного сплава W-10wt%Cr-0.5wt%Y представляют собой поликристаллический бимодальный материал, то есть наряду с фазой (αW,Cr) присутствует фаза α-Cr, то есть раствор вольфрама в хроме (αCr, W). Зерна с (αCr, W) фазой обогащены хромом, достигающим на границе до 89ат.%, тогда как в окружающих их зернах содержание хрома составляет менее 14 ат.%. Методом ПЭМ были получены распределения зерен и иттриевых частиц по размерам в вольфрамовых сплавах и сталях. Для сплава W-10wt%Cr-0.5wt%Y, размеры зерен лежат в пределах от 0.5 до 2.4 мкм со средним размером ~ 1 мкм. Для сплава W-11.4wt%Cr-0.6wt%Y, размеры зерен лежат в пределах от 0.05 до 0.45 мкм со средним размером ~ 0.1 мкм. В отоженном сплаве W-10wt%Cr-0.5wt%Y, размеры зерен лежат в пределах от 0.04 до 0.25 мкм со средним размером ~ 0.1 мкм. Наблюдаются иттриевые оксидные наночастицы на границах зерен обоих исходных сплавов W-Cr-Y, а также отоженного сплава. В исходном сплаве W-10wt%Cr-0.5wt%Y наблюдались иттриевые частицы с размерами 10-180 нм и плотностью 1х10^19 м-3. В результате отжига в данном сплаве W-10wt%Cr-0.5wt%Y наблюдается рекристаллизация в процессе которой произошло перерастворение частиц оксида иттрия с формированием новых фракций частиц с размерами 5-30 нм и плотностью 2х10^22 м-3. Для исходного сплава W-11.4wt%Cr-0.6wt%Y размеры оксидных частиц составили 15-80 нм, а плотность 2.5х10^21 м-3. Средний размер иттриевых частиц равен 30 нм для обоих исходных образцов и 12 нм для отоженного сплава. В отоженном сплаве W-10wt%Cr-0.5wt%Y методом атомно-зондовой томографии (АЗТ) обнаружены иттриевые кластеры с размерами 2-6 нм и плотностью 6х10^23 м-3. Средний диаметр кластеров 2,9±0,6 нм. Данные кластеры невозможно обнаружить методом ПЭТ в силу малости их размера. В исходном состоянии сплава такого рода объекты не наблюдались. Нанометрические кластеры иттриевых частиц средним размером около 3 нм обнаруживаются в отоженном материале только методом АЗТ. Таких кластеров на порядок больше, чем кластеров со средним размером 12 нм. Таким образом, показано, что для определения микро- и нано- структуры материалов необходимо применять несколько методов измерений, так как каждый метод имеет свои ограничения. А именно было установлено, что методом ПЭМ не определяются наноразмерные кластеры с размерами 2-6 нм, которые определяются методом АЗТ и которых на порядок больше, чем кластеров со средними размерами 12 нм, которые преобладают в материале согласно измерениям ПЭМ. Вместе с частицами иттрия наблюдается сегрегация Cr на границах зерен (GBs). Концентрация Cr в этих структурах c частицами иттрия может достигать до 35 ат.% в исходном сплаве W-10wt%Cr-0.5wt%Y, и до 85ат% в отоженном сплаве. В отоженном сплаве, кластеры в среднем содержат атомы Y (5±1) ат.%, O (2±1) ат.%, WO (10±2) ат.%, Cr (26±4) ат.%, баланс по вольфраму. Для исходного сплава W-10wt%Cr-0.5wt%Y содержание хрома внутри зерен варьируется, составляя в среднем 30 ат. %, и в разных зернах колеблется от этого уровня на 3 до 6 ат. %. В отоженном сплаве содержание хрома внутри зерен составляет в среднем 21 ат. %. Методами ПЭМ и АЗТ получено, что в стали Eurofer97 присутствуют карбиды металлов, осажденные на границах зерен (GBs) и внутри зерен во всех образцах. Был получен размер карбидов около 500 нм. В стали ODS Eurofer методом АЗТ обнаружены нанокластеры V-O-Y-N размерами 1-5 нм и плотностью 10^23 м^-3. Материалы активной зоны перспективных ядерных и термоядерных реакторов должны обладать высокой радиационной стойкостью и выдерживать эксплуатационные нагрузки при высоких температурах. Моделирование нейтронного облучения было осуществлено путем облучения вольфрамовых материалов ионами железа с энергией 5.6 МэВ до 10 сна при температуре 500С. Методом АЗТ обнаружено, что в результате облучения происходит распад твердого раствора с формированием наноразмерных кластеров, обогащенных хромом. Концентрация Cr в кластерах составляет (77 ± 3) ат.%. Размер образовавшихся Cr кластеров менее 2 нм, а объемная плотность ~(5.6)х10^24 м-3. Методами ПЭМ и АЗТ было получено, что хотя средний размер итриевых частиц остается неизменным после облучения, плотность частиц с малым размером увеличивается, и распределение по размерам смещается в сторону меньших размеров. Это может свидетельствовать о начальной стадии растворения крупных частиц иттрия и образовании фракции мелких частиц иттрия. Частицы иттрия, распределенные на границах зерен в исходном сплаве, имеют в основном круглый размер. При облучении при температуре 500°C наблюдалась пластинчатая сегрегация частиц иттрия на границах зерен. Такие частицы иттрия имеют меньший размер по сравнению с исходными частицами и сегрегируются в виде пластин вдоль границы зерна. С одной стороны, образование более мелких частиц иттрия приводит к повышению стойкости сплава к окислению и упрочнению. С другой стороны, сегрегация частиц вдоль границы зерна может привести к образованию трещин между границами зерен. Такие эффекты требуют дальнейшего изучения. Накопление дейтерия (D) в исходных и пред-облученных ионами железа для создания радиационных дефектов вольфрамовых материалах изучалось методом термодесорбции (ТДС) после облучения низкоэнергетическими ионами дейтерия. Накопление D как в исходном, так и в отожженном W-Cr-Y сплавах было выше, чем в исходном вольфраме (W). Энергия связи D с дефектами решетки в исходном и отожженном W-Cr-Y сплавах ниже и одинакова, соответственно, по сравнению с W. Наибольшее удержание D было обнаружено в отожженном сплаве W-Cr-Y с наименьшим размером зерен. Комбинируя измерения AЗТ, ПАС и TДС, было обнаружено, что накопление D в исходном сплаве W-Cr-Y происходит главным образом в дефекты, связанные с искажениями решетки из-за компонентов сплава. Накопление D в отожженном сплаве W-Cr-Y связано с удержанием дейтерия кластерами вакансий в сочетании с частицами иттрия, прикрепленными к границам зерен. Накопление D в чистом вольфраме и в W-Cr-Y сплавах, предварительно облученных ионами железа, показало, что захват D в радиационные дефекты в чистом W приводит к увеличению удержания D более чем на порядок из-за образования радиационно-индуцированных кластеров вакансий, обнаруженных методом ПАС. В сплавах W-Cr-Y, удержание D после создания радиационных дефектов увеличивается примерно в 8 раз. Было установлено, что D захватывается в радиационно-индуцированных кластерах, связанных с Cr в сплаве W-Cr-Y, в отличии от захвата дейтерия радиационно-индуцированными вакансионными кластерами в W. Предварительно получено, что накопление дейтерия в вольфраме в радиационно-индуцированных дефектах сравнимо с накоплением дейтерия в плазменно-индуцированных дефектах (микро-трещинах) в результате повреждения высоким тепловым потоком, но меньше, чем накопление в со-осажденных пленках. Данное исследование требуют дальнейшего изучения при варьировании параметров облучения.

 

Публикации

1. О.В. Огородникова, З. Арутюнян, А. Умеренкова Deuterium and helium retention in advanced fusion materials in dependence of the grain size Journal of Nuclear Materials, - (год публикации - 2024)

2. Ю. Ванг, З. Арутюнян, Ю. Гаспарян, О.В. Огородникова, Д. Синельников, Н. Ефимов, Х. Тан, А. Умеренкова, М. Гришаев Annealing effect on deuterium retention in W-Cr-Y alloy Journal of Nuclear Materials, - (год публикации - 2024)