Projekti / Programi
Kompoziti na osnovi W in WC za visoko toplotno obremenjene dele v demonstracijski fuzijski elektrarni DEMO
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 2.04.02 |
Tehnika |
Materiali |
Kovinski materiali |
| Koda |
Veda |
Področje |
| T152 |
Tehnološke vede |
Kompozitni materiali |
| Koda |
Veda |
Področje |
| 2.05 |
Tehniške in tehnološke vede |
Materiali |
kompozit; volfram; volframov karbid; fuzijska energija; divertor; visoka toplotna obremenitev
Raziskovalci (7)
Organizacije (2)
Povzetek
Napredek v razvoju fuzijskih elektrarn je tesno povezan z razpoložljivostjo primernih materialov za strukturne dele, ki so izpostavljeni ekstremnim razmeram v reaktorski komori, tj. nevtronom, zelo visokim temperaturam oz. toplotnemu toku, termičnim šokom, eroziji itd, hkrati pa morajo zadoščati zahtevam po visoki toplotni prevodnosti, nizki aktivaciji itd. Zato načrtovalci prve demonstracijske fuzijske elektrarne DEMO veliko pozornost namenjajo izbiri ustreznih materialov in izboljšavam tistih, ki predstavljajo zaradi svojih lastnosti omejitve za optimalno delovanje reaktorja. Raziskave in razvoj v Evropi potekajo v sklopu fuzijskega programa EUROfusion, ki postavlja smernice za usklajene raziskave in v katerem sodeluje tudi prijaviteljica tega projekta s sodelavci.
Za najbolj toplotno obremenjeni del fuzijskega reaktorja, divertor, kjer je predvidena delovna temperatura cca. 800-1400 °C, je bila predvidena uporaba volframa, ki pa ima dve večji pomanjkljivosti: pri nižjih temperaturah postane krhek, nad cca. 1000 °C pa zaradi rekristalizacije in pretirane rasti zrn močno pade njegova trdnost. V projektu EUROfusion zato delovna skupina »High-Heat-Flux-Materials« usmerja svoje raziskave predvsem v razvoj kompozitov na osnovi volframa. Naša skupina prvo pomanjkljivost rešuje z dodatkom dolgih SiC vlaken z volframskim jedrom. Tematika ne zajema predlaganega projekta, predstavlja pa njegovo podlago. Drugo slabost volframa, drastično poslabšanje trdnosti pri visokih temperaturah, rešujemo z izboljšanjem lastnosti matrice. Pri tem je glavni cilj omejiti rast volframskih zrn v območju delovnih temperatur, ob tem, da se druge lastnosti (npr. toplotna prevodnost, žilavost, nizka aktivacija) ne smejo bistveno poslabšati.
V predlaganem projektu bomo preizkusili dve možnosti: a) disperzijsko utrjevanje volframa z majhnimi delci W2C, ki nastanejo med sintranjem z reakcijo W s prisotnim prekurzorjem in b) zamenjavo volframa z WC-karbidno trdino z nizko-aktivacijsko vezno fazo. V prvem sklopu projekta bomo pripravili vzorce kompozita W-W2C z uporabo prekurzorjev (grafen, fenolformaldehidna smola, nanodelci WC), za katere smo že preverili sposobnost tvorbe W2C delcev na mejah med volframskimi zrni. V drugem sklopu bomo najprej izbrali primerno nizko-aktivacijsko zlitino (LAA) in jo kot vezno fazo uporabili za pripravo WC-LAA. Preverili bomo tudi možnost priprave in uporabe visoko-entropijskih zlitin, katerih sestavo bomo določili s termodinamskimi izračuni. Pri obeh predlaganih sestavah bomo na osnovi strukture, fazne sestave in mehanskih lastnosti pri sobni temperaturi izbrali najprimernejši material za nadaljnje raziskave, ki bodo poleg testiranja visokotemperaturnih mehanskih lastnosti vključevale tudi meritve toplotne prevodnosti v območju od sobne temperature do 1000 °C. Končna izbira ustreznosti materiala za matrico v kompozitu SiCf/W bo temeljila na testiranju v visokih toplotnih tokovih.
Predlagani projekt bo potekal v tesni povezavi s programom EUROfusion, ki sofinancira del raziskav, nudi močno strokovno podlago in smernice za raziskovalno delo. Poleg tega v sklopu programa Fusion Education podpira podiplomski študij in praktično usposabljanje doktorskih študentov, ki so vključeni v projekt.
Pomen za razvoj znanosti
Razvoj strukturnih materialov na osnovi volframskih kompozitov za uporabo v stiku z vročo plazmo premika meje zmogljivosti materialov in omogoča delovanje naprav pri višjih toplotnih obremenitvah in večjih nihanjih temperature. Znanje, pridobljeno pri tovrstnih raziskavah prispeva k razvoju materialov tudi za druge vrste uporabe pri ekstremnih razmerah.
Pomen za razvoj Slovenije
Razvoj in izgradnja fuzijskih naprav ITER in DEMO v Evropi prinašata neposreden pozitiven vpliv na evropsko gospodarstvu preko novih delovnih mest, sodelovanja evropskih podjetij pri izdelavi in dobavi posameznih delov in izgradanji.
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Vmesno poročilo,
zaključno poročilo
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
Vmesno poročilo,
zaključno poročilo
