Физики из Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории и Политехнического университета Вирджинии придумали, как повысить прочность вольфрамовых сплавов, чтобы они выдерживали экстремальные условия внутри термоядерного реактора. Авторы предлагают использовать структуры, аналогичные морским раковинам.
Вольфрам — металл с одной из самых высоких температур плавления, но в чистом виде он очень хрупкий, объясняют авторы работы. Смешивая вольфрам с небольшими количествами других металлов, таких как никель и железо, можно получить сплав, более прочный, чем чистый металл, который при этом сохраняет высокую температуру плавления.
Чтобы еще больше увеличить предел прочности сплавов, исследователи предлагают использовать особый метод горячей прокатки. С его помощью можно создать внутри сплава особые микроструктуры, которые имитируют перламутр — внутренний слой раковин пресноводных и морских моллюсков. Известно, что эта структура не только отличается красивыми узорами и переливами, но также придает раковинам прочность.
Микроструктура природного перламутра (сверху) и прокатного перламутра в вольфрамовых сплавах. Изображение: J. V. Haag IV et al., Scientific Reports
Исследователи проанализировали «перламутровую» микроструктуру сплавов с помощью сканирующей просвечивающей электронной микроскопии, чтобы наблюдать за поведением атомов. Внутри перламутровой структуры тяжелый вольфрамовый сплав состоит из двух отдельных фаз: «твердой» фазы почти чистого вольфрама и «пластичной» фазы, содержащей смесь никеля, железа и вольфрама.
Результаты исследований показывают, что высокая прочность вольфрамовых тяжелых сплавов обусловлена отличной связью между разнородными фазами, включая тесно связанные «твердые» и «пластичные» фазы. В своей работе исследователи показали, что, управляя кристаллической структурой, геометрией и химическим составом сплава можно создать прочные границы раздела материалов в тяжелых сплавах вольфрама.
Такие изменения улучшат дизайн материала и помогут создать сплавы достаточно прочные, долговечные и надежные, чтобы выдерживать огромные температуры и воздействие электромагнитного излучения внутри термоядерного реактора. Авторы отмечают, что лаборатории уже работают над созданием прототипа корпуса реактора из сплавов вольфрама.
Предложенное решение — не единственное, ученые по всему миру работают над различными технологиями для термоядерного реактора. Например, ранее «Хайтек» рассказывал, что российские ученые из НИЯУ МИФИ разработали специальный припой, который повышает прочность сплава вольфрама и стали для аналогичных целей.
