14:28 20 Oktober 2018
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    Thermonuklear-Reaktor (Archivbild)

    MEPhI-Forscher erforschen Materialien für thermonukleare Reaktoren der Zukunft

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    Wissenschaftler der Nationalen Universität für Nuklearforschung MEPhI haben herausgefunden, wie die Änderung der Nanostruktur von Stoffen für Energiereaktoren der Zukunft ihre Dehnfähigkeit, Feuersicherheit und andere wichtige Merkmale beeinflusst.

    Eine der aussichtsreichsten Richtungen in der Atomenergie ist heute die Entwicklung neuer schneller Kernreaktoren und die Schaffung eines arbeitsfähigen thermonuklearen Reaktors. Erstes wird ermöglichen, den nuklearen Brennstoffzyklus zu vollenden und die Atomenergie umweltfreundlicher zu machen. Falls der zweite Aspekt umgesetzt wird, kann man in der Zukunft Energie auf einem prinzipiell neuen Weg erzeugen. Das bekannteste Projekt, das die Entstehung von thermonuklearen Reaktoren näher bringen soll, ist der International Thermonuclear Experimental Reactor.

    Eine der Schwierigkeiten bei der Schaffung neuer Energieanlagen besteht darin, dass sie alle das Vorhandensein extremer Bedingungen im Bereich Energieerzeugung vorsehen. Deswegen werden an Materialien, die in aktiven Gebieten neuer Reaktoren genutzt werden, unglaublich hohe Anforderungen gestellt. Beim Einfluss hoher Temperaturen und Strömen von Hochenergie-Strahlung verschlechtern sich moderne Stoffe schnell. Die festeren unter ihnen halten Strahlungsdosen, bei denen sich jedes Atom im Stoff um das 80- bis 90-Fache verschiebt. Für thermonukleare Energieanlagen muss dieser Parameter doppelt so hoch sein. Gerade die Festigkeit dieser Materialien im Bereich der Erzeugung von Energie bestimmt die Effizienz und Sicherheit des Atomreaktors.

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    Die MEPhI-Forscher halten es für möglich, dieses Problem mithilfe von Nanotechnologien zu lösen. Als aussichtsreich für die künftigen Energieanlagen gelten ferritisch-martensitische Stähle auf Grundlage der Legierungen Fe-Cr und Oxid-dispersionsverfestigte Stähle. Die Wissenschaftler haben in ihren Arbeiten die Mechanismen einer Umstrukturierung dieser Materialien gezeigt, sowie demonstriert, wie die Umverteilung der Atome erfolgt, die zu einer bedeutenden Erhöhung ihrer Brüchigkeit und uzm Verlust der Dehnfähigkeit führt. Die Ergebnisse dieser Forschungen sind in den Zeitschriften „Journal of Nuclear Materials“ und „Journal of Nuclear Materials and Energy“ veröffentlicht worden.

    Bekannt ist, dass die Änderung der Nanostruktur qualitativ die Merkmale des Konstruktionsstoffs ändern kann. Als Folge kann die Betriebsdauer der daraus gefertigten aktiven Stücke der Anlage reduziert werden. In mehreren Fällen haben die Wissenschaftler es hingegen geschafft, Nanostrukturen so zu verändern, dass sie die Möglichkeiten der Anwendung der Stoffe deutlich erweitern und ihnen einmalige Merkmale verleihen, wie etwa eine bedeutende Feuersicherheit.

    Die Spezialisten übten in ihren Experimenten unterschiedliche Einflüsse auf die Legierungen Fe-Cr und Oxid-dispersionsverfestigte Stähle aus und fixierten danach mithilfe der Atomsondentomografie die entstandenen Änderungen der Merkmale der Materialien in Nano-Größen.

    „In unseren Experimenten haben wir den Nanogrößen-Zustand der Materialien und seine Umstrukturierung unter unterschiedlichen Einflüssen analysiert. Wir setzten die thermische Alterung um und stellten danach mithilfe der Bündel von Metallionen fest, dass ihre Wirkung zur Verfeinerung der Nanostruktur führen kann“, sagte der stellvertretende Leiter des Lehrstuhls für Physik von extremen Zuständen von Stoffen am Institut für Atomphysik und Technologien der MEPhI, Sergej Rogoschkin.

    Laut dem Wissenschaftler können die Ergebnisse der Studien sowohl bei der Schaffung der Stoffe für den International Thermonuclear Experimental Reactor als auch für Energieanlagen der Zukunft genutzt werden. „Die Aufgabe des International Thermonuclear Experimental Reactor ist, die Arbeitsfähigkeit der Konzeption des thermonuklearen Reaktors zu zeigen. Die Anforderungen an die Stoffe in dieser Etappe sind ernsthaft, doch die thermonukleare Anlage der nächsten Generation wird extremere Bedingungen schaffen, für deren Arbeit prinzipiell neue Stoffe entwickelt werden, darunter diejenigen, die wir derzeit erforschen“, sagte der Experte.

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    Thermonuklear-Reaktor, Nationale Universität für Nuklearforschung (MEPhi), Russland