Inženjeri Univerziteta Viskonsin-Medison su koristili tehnologiju premaza za prskanje da bi proizveli novi materijal koji može da izdrži teške uslove unutar fuzionog reaktora.
Napredak, detaljno opisan u radu objavljenom nedavno u časopisu Phisica Scripta, mogao bi omogućiti efikasnije kompaktne fuzione reaktore koje je lakše popraviti i održavati.
„Zajednica fuzije hitno traži nove proizvodne pristupe za ekonomičnu proizvodnju velikih komponenti sa plazmom u fuzionim reaktorima“, kaže Mikola Ialovega, postdoktorski istraživač nuklearnog inženjerstva i inženjerske fizike na UV-Madison i glavni autor rada. „Naša tehnologija pokazuje značajna poboljšanja u odnosu na trenutne pristupe. Ovim istraživanjem, mi smo prvi koji je pokazao prednosti korišćenja tehnologije nanošenja premaza hladnim sprejom za primene fuzije.“
Istraživači su koristili proces hladnog prskanja da nanesu premaz od tantala, metala koji može da izdrži visoke temperature, na nerđajući čelik. Oni su testirali svoj premaz od tantala u hladnom spreju u ekstremnim uslovima relevantnim za fuzioni reaktor i otkrili da se pokazao veoma dobro. Važno je da su otkrili da je materijal izuzetno dobar u hvatanju čestica vodonika, što je korisno za kompaktne fuzione uređaje.
„Otkrili smo da premaz od tantala hladnim raspršivanjem apsorbuje mnogo više vodonika nego masivni tantal zbog jedinstvene mikrostrukture premaza“, kaže Kumar Sridharan, profesor nuklearnog inženjerstva i inženjerske fizike i nauke o materijalima i inženjeringa. Tokom poslednje decenije, Sridharanova istraživačka grupa je uvela tehnologiju hladnog prskanja u zajednicu nuklearne energije implementirajući je za višestruke primene u vezi sa fisionim reaktorima.
„Jednostavnost procesa hladnog prskanja čini ga veoma praktičnim za primenu“, kaže Sridharan.
U uređajima za fuziju, plazma — jonizovani gas vodonika — se zagreva do ekstremno visokih temperatura, a atomska jezgra u plazmi se sudaraju i spajaju. Taj proces fuzije proizvodi energiju. Međutim, neki joni vodonika mogu se neutralisati i pobeći iz plazme.
„Ove vodonične neutralne čestice uzrokuju gubitke snage u plazmi, što čini veoma izazovnim održavanje vruće plazme i efikasan mali fuzioni reaktor“, kaže Ialovega, koji radi u istraživačkoj grupi Olivera Šmitza, profesora nuklearnog inženjeringa i inženjerske fizike.
Zbog toga su istraživači krenuli da stvore novu površinu za zidove reaktora okrenute plazmi koji bi mogli da zarobe čestice vodonika dok se sudaraju sa zidovima.
Tantal je inherentno dobar u apsorpciji vodonika – a istraživači su sumnjali da bi stvaranje prevlake od tantala pomoću procesa hladnog prskanja još više povećalo njegove sposobnosti hvatanja vodonika.
Pravljenje premaza koji se nanosi hladnom prskanjem je nešto poput upotrebe limenke boje u spreju. Sastoji se od pokretanja čestica materijala za oblaganje superzvučnim brzinama na površinu. Pri udaru, čestice se spljošte kao palačinke i oblažu celu površinu, uz očuvanje nanosmernih granica između čestica premaza. Istraživači su otkrili da te male granice olakšavaju hvatanje čestica vodonika.
Ialovega je sproveo eksperimente na obloženom materijalu u objektima na Univerzitetu Aik Marseille u Francuskoj i Forschungszentrum Julich GmbH u Nemačkoj. Tokom ovih eksperimenata, otkrio je da kada je zagrejao materijal na višu temperaturu, on je izbacio zarobljene čestice vodonika bez modifikacije premaza – proces koji suštinski regeneriše materijal tako da se može ponovo koristiti.
„Još jedna velika prednost metode hladnog prskanja je to što nam omogućava da popravimo komponente reaktora na licu mesta nanošenjem novog premaza“, kaže Ialovega. „Trenutno, oštećene komponente reaktora često treba da se uklone i zamene potpuno novim delom, što je skupo i dugotrajno.
Istraživači planiraju da koriste svoj novi materijal u Visconsin HTS Akisimmetric Mirror (VHAM). Eksperimentalni uređaj je u izgradnji u blizini Medisona, Vis., i služiće kao prototip za buduću fuzionu elektranu sledeće generacije koju UV-Madison spinoff Realta Fusion ima za cilj da razvije. Smešten u Laboratoriji za fizičke nauke, VHAM eksperiment je partnerstvo između UV-Madison, Tehnološkog instituta Masačusetsa i Commonvealth Fusion Sistems.
„Stvaranje vatrostalnog metalnog kompozita sa ovim karakteristikama dobro kontrolisanog rukovanja vodonikom u kombinaciji sa otpornošću na eroziju i opštom otpornošću materijala predstavlja proboj za dizajn plazma uređaja i sistema fuzione energije“, kaže Schmitz. „Perspektiva promene legure i uključivanja drugih vatrostalnih metala kako bi se poboljšao kompozit za nuklearne primene je posebno uzbudljiva.
