Добиться «святого Грааля чистой энергетики», то есть подчинить термоядерную реакцию, мечтают ученые во всем мире на протяжении уже шести десятилетий. Получить его на строящихся реакторах пока не удалось никому, и одна из проблем, тормозящих этот процесс, — ненадежность сварных швов установок, в которых плазма должна нагреваться до температур, намного превышающих температуру на поверхности Солнца.
Сама идея использовать термоядерную реакцию не нова: огромная энергия звезд генерируется при слиянии двух легких атомных ядер в одно тяжелое. В разных странах строят реакторы термоядерного синтеза, чтобы получить доступ к практически неограниченным запасам электроэнергии, более экологичной и безопасной, чем углеводороды и уран. Но сложность управляемого термоядерного синтеза заключается в том, что температура газа, разогретого до состояния плазмы, превышает 100 миллионов градусов Цельсия, и элементы конструктива установок должны быть надежно соединены друг с другом.
Именно из-за обнаруженных дефектов в одном из ключевых компонентов, вакуумной камере, предварительный запуск Международного экспериментального термоядерного реактора (ИТЭР) перенесли с 2025 года на 2036-й. Самый амбициозный научный проект пришлось отложить, учитывая риски утечки топлива через сварные швы элементов магнитной системы.
Чтобы предупредить подобную опасность уже на этапе производства, группа ученых из Великобритании разработала микроскопический метод картирования скрытых слабых мест внутри сварных соединений металлов. Они исследовали остаточные напряжения в узкой зоне термического влияния во время дистанционной лазерной сварки компонентов из стали P91 — это хромомолибденовый сплав, обладающий превосходной жаропрочностью (до 600 градусов Цельсия). Для измерений применили технологию визуализации с использованием плазменно-фокусированного ионного пучка и цифровой корреляции изображений.
Испытания на растяжение показали, что при низком напряжении сплав становится в некоторых областях более твердым, а при высоком — мягким на отдельных участках, в результате чего гнется и ломается. При температуре 550 градусов Цельсия, необходимой для работы термоядерного реактора, сталь теряла более трети своей прочности.
До сих пор ученые исследовали поведение материалов при более низких температурах, представители же британской научной школы проанализировали изменения в сварных швах в условиях термоядерного реактора при колоссально высоких температурах. Полученные выводы позволят проектировать и строить станции для запуска «искусственного Солнца» более надежными и безопасными.
Научная работа опубликована в журнале Journal of Materials Research and Technology.