Odolá teplote Slnka a odomkne fúznu energiu. Nový metamateriál všetko zmení

Ak má fúzna energia niekedy opustiť experimentálne haly a stať sa reálnym zdrojom elektriny, rozhodovať o tom nebudú len fyzici plazmy, ale aj materiáloví inžinieri. Práve oni dnes narážajú na jeden z najtvrdších limitov celej fúznej technológie. Materiály v reaktore musia zvládnuť extrémne tepelné toky, obrovské magnetické polia aj neustále bombardovanie časticami z horúceho plazmatu. Spojiť tieto požiadavky do jedného konštrukčného riešenia je mimoriadne náročné, informuje Interesting Engineering.

Snaha o spojenie dvoch prvkov

Britský výskumný projekt DIADEM sa zameriava na problém, ktorý je na prvý pohľad banálny, no v praxi zásadný. Ako spojiť volfrám a meď do jedného funkčného celku bez toho, aby sa materiál po krátkom čase rozpadol. Volfrám je pre fúzne reaktory ideálny vďaka extrémne vysokej teplote topenia a odolnosti voči erózii. Meď je naopak nenahraditeľná tam, kde treba rýchlo odvádzať obrovské množstvá tepla preč z najviac namáhaných častí reaktora. Problémom je, že tieto dva kovy sa správajú pri zahrievaní úplne odlišne.

Pri klasickom zváraní alebo odlievaní vznikajú v spoji obrovské vnútorné napätia. Rozdielna teplotná rozťažnosť spôsobuje mikrotrhliny, ktoré sa v prostredí fúzneho reaktora rýchlo menia na fatálne poruchy. Práve preto sa doteraz používali zložité viacvrstvové konštrukcie s mechanickými prechodmi, ktoré však znižovali účinnosť chladenia a skracovali životnosť komponentov.

DIADEM ide úplne inou cestou. Využíva pokročilú aditívnu výrobu, pri ktorej sa volfrám a meď netlačia ako dva oddelené bloky, ale vznikajú súčasne vrstvu po vrstve. Pomocou presného riadenia laserového tavenia kovového prášku je možné plynule meniť pomer oboch kovov v rámci mikrometrových štruktúr. Výsledkom nie je klasický zvar, ale materiál s postupným prechodom vlastností, ktorý sa správa ako jeden celok.

Commonwealth Fusion Systems

Nový spôsob tvorby materiálov

Takto vzniknuté metamateriály nemajú ostré rozhrania, na ktorých by sa koncentrovalo napätie. Tepelné toky sa rozkladajú rovnomernejšie a mechanická stabilita zostáva zachovaná aj pri opakovaných tepelných cykloch. Práve to je pre fúzne reaktory kľúčové, keďže vnútorné komponenty sú vystavené rýchlym zmenám výkonu aj dlhodobému namáhaniu.

Z technologického hľadiska ide o zásadný posun. Ak sa podarí tieto materiály vyrábať spoľahlivo a vo väčších objemoch, výrazne sa tým zjednoduší konštrukcia budúcich reaktorov typu tokamak aj sférický tokamak, aký plánuje britský program STEP. Zároveň sa znížia náklady na údržbu a predĺži sa životnosť najdrahších častí zariadenia, ako sú divertory a prvé steny reaktora.

Význam DIADEMu však presahuje samotnú fúziu. Schopnosť presne miešať kovy s extrémne odlišnými vlastnosťami otvára cestu k novým typom vysokoteplotných výmenníkov, leteckých motorov či implantátov, ktoré musia kombinovať pevnosť, tepelnú vodivosť a biokompatibilitu. Fúzna energetika tak opäť plní úlohu technologického katalyzátora, ktorý tlačí materiálovú vedu do oblastí, kam by sa bez takýchto extrémnych požiadaviek nikdy nedostala.

Čítajte viac z kategórie: Novinky