Томские ученые создали «самозалечивающиеся» покрытия для элементов термоядерных реакторов
Ученые Томского политехнического университета (ТПУ) разработали новую многослойную архитектуру покрытий, которая обладает высокой термической стабильностью и способностью «самозалечиваться» при работе в экстремальных условиях. Такая разработка позволит продлить срок службы оборудования термоядерных реакторов.
Многослойные наноламинатные покрытия широко применяются в ядерной промышленности благодаря высокой прочности, коррозионной стойкости и устойчивости к радиационному воздействию. Однако их эксплуатационные параметры при одновременном влиянии высоких температур и облучения остаются недостаточно высокими.
Специалисты Томского политеха предложили новую архитектуру многослойного покрытия. Оно представляет собой функционально-градиентный материал (ФГМ), включающий защитный слой ниобия толщиной около 3 мкм, радиационно-стойкий слой чередующихся наноразмерных мультислоев ниобия и циркония толщиной около 1 мкм, адгезионный слой циркония толщиной около 10 мкм и подложку из сплава циркония с 1 % ниобия толщиной 0,7 мм, обеспечивающую необходимую механическую прочность.
«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», — пояснил один из авторов исследования, и.о. руководителя отделения экспериментальной физики ТПУ Роман Лаптев.
Авторы провели исследования новой архитектуры покрытий на реальном оборудовании при температурах до 900 °C. Во время исследования анализировались термическая стабильность и структурные изменения методами рентгеновской дифракции, спектроскопии доплеровского уширения аннигиляционной линии и просвечивающей электронной микроскопии. Такой комплексный подход позволил наблюдать эволюцию дефектов и изменения кристаллической решетки покрытия в реальном времени. Результаты показали, что при нагреве покрытие сохраняет многослойную архитектуру и плотность интерфейсов, а происходящие фазовые переходы остаются обратимыми, что позволяет материалу сохранять свои свойства.
«Комплекс in situ анализа в сочетании с традиционными методами эксперимента позволил нам доказать, что разработанная в ТПУ архитектура покрытий устойчива к термическому воздействию. Благодаря обратимости фазовых трансформаций материал способен выдерживать экстремальные циклы нагрева и охлаждения без существенной деградации. Это критически важно для оценки долговечности покрытия в условиях реальной эксплуатации», — отметил Роман Лаптев.
В работе приняли участие ученые отделения экспериментальной физики Инженерной школы ядерных технологий и исследовательского ядерного реактора Томского политеха.
Исследование выполнено в рамках государственного задания.