Учёные Томского политехнического университета в 2025 году разработали новую многослойную архитектуру функционально-градиентного покрытия для элементов термоядерных реакторов, которое в корне изменит дальнейшее развитие атомной отрасли.
На грани фантастики
Архитектура покрытия состоит из 3 мкм защитного слоя ниобия, радиационно-стойкого слой чередующихся нано-покрытий ниобия и циркония толщиной в 1 мкм, адгезионного слоя циркония в10 мкм – всё это на подложке из сплава циркония с 1% ниобия толщиной 0,7 мм. Эти слои обеспечивают исключительную сопротивляемость материала. А при экстремальных температурах покрытие даже «самозалечивается». Слои благополучно справляются с циклами охлаждения и нагревания, не теряя свойств. Соответственно, продлевается срок службы реактора.
Покрытие уже испытано на реальном оборудовании при температурах до 900 °С с использованием рентгеновской дифракции, доплеровской спектроскопии аннигиляционной линии и просвечивающей электронной микроскопии. Такой комплексный подход позволил наблюдать за эволюцией дефектов и изменениями кристаллической решетки покрытия в реальном времени. Многослойная архитектура и плотность интерфейсов сохраняются, а фазовые переходы обратимы. Результаты опубликованы в Journal of Materials Science.
Материальная сторона
Именно материалы для элементов, контактирующих с плазмой и экстремальными тепловыми нагрузками, являются сегодня главным «бутылочным горлышком» на пути к промышленному термоядерному реактору. Для России, участвующей в ITER и параллельно развивающей собственные проекты термоядерного синтеза, появление своих продвинутых самовосстанавливающихся покрытий является шагом к технологическому суверенитету в ядерной материаловедческой повестке.
По сути, сегодня наблюдается формирование новой компетенции на стыке атомной энергетики, материаловедения и высокотемпературных покрытий. Эти наработки будут востребованы не только в термоядерных, но и в классических реакторах, космической технике, химической и водородной энергетике.
Это не первый «технический» прорыв ученых ТПУ – им также принадлежит разработка фторопластовых покрытий для защиты химических реакторов от коррозии.
Прорывные технологии
Сами по себе слои в покрытиях атомных реакторов не являются новостью в ядерной промышленности. Но до сих пор никому не удавалось совместить их оптимальным образом, добившись обратимости разрушительных процессов.
Реактор подвергает материалы сразу нескольким испытаниям: высоким температурам, нейтронному облучению и термическим циклам. И это выставляет исключительные требования к их стабильности и долговечности. Поэтому разработка перспективных материалов для управляемого термоядерного синтеза является одним из ключевых вызовов современной науки.
В контексте участия России в международном проекте термоядерного реактора ИТЭР, реализуемого во Франции, новость чрезвычайно важна. В ближайшее время состоится серия испытаний высокотехнологичных компонентов установки, поставленных Госкорпорацией «Росатом».
Разработка ТПУ ложится в общую линию российских работ по материалам для ITER и будущих демонстрационных установок. При этом прямо сейчас НИЯУ МИФИ создаёт новые сплавы на основе вольфрама для стенок реактора, увеличивающие ресурс и устойчивость к накоплению дейтерия.
Таким образом, на фоне создания ITER Россия активно отрабатывает «железную» часть проекта. С высокой долей вероятности можно предположить, что самозалечивающееся покрытие российского производства будет участвовать в перспективных испытаниях и модификациях установки. Международное сообщество признало, что «Россия не только поставляет оборудование для ITER, но и создаёт материалы, которые помогут этим установкам прожить дольше».
Уже сегодня в масштабах страны разработка выходит в зону промышленной кооперации между ТПУ, профильными НИИ и машиностроительными предприятиями атомного контура.
Роман Лаптев, и. о. руководителя отделения экспериментальной физики ТПУ: «Архитектура ФГМ на основе ниобия и циркония с управляемой градацией слоев - это не просто повторение наноламинатной структуры. Такое целенаправленное чередование материалов обеспечивает не только повышенную термическую устойчивость, но и более эффективное управление эволюцией дефектов за счет их локализации в нужных уровнях. Это позволяет перенаправлять дефекты в активные зоны, где происходит их "самозалечивание". В простых наноламинатах активные зоны могут не совпадать с профилем повреждений, из-за чего эффективность механизмов самовосстановления снижается", - поясняет один из авторов исследования».