진주층의 계면 강도 조사

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 575(2023) 이 기사 인용

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텅스텐 무거운 합금은 핵융합로의 플라즈마 직면 재료 구성 요소로 제안되었으며 이를 확인하려면 실험적 조사가 필요합니다. 이를 위해 90W-7Ni-3Fe 합금을 선택하고 미세 구조적으로 조작하여 연성 '모르타르'로 둘러싸인 W상 '벽돌'의 다상 벽돌 및 모르타르 구조를 나타냅니다. 이 연구는 자연에서 영감을 얻어 연체동물이 나타내는 강도와 강성의 놀라운 조합을 인위적으로 모방하고 원자로 내부의 극도로 적대적인 환경을 견디고 구조적 완전성을 유지할 수 있는 진주층을 모방한 금속 매트릭스 복합재를 생산합니다. 이러한 무결성 뒤에 숨은 기본 메커니즘은 고해상도 구조 및 화학적 특성 분석 기술을 통해 조사되었으며 예상치 못한 격자 일관성을 나타내는 화학적 확산 상 경계가 밝혀졌습니다. 이러한 특징은 이러한 시스템에서 계면 분리에 필요한 에너지의 증가와 텅스텐 무거운 합금의 고강도 및 인성의 동시 발현에 기인합니다.

엄청나게 가혹한 환경에서는 매우 견고한 소재가 필요합니다. 핵융합로용 재료보다 이 진술을 더 잘 입증하는 사례 연구는 거의 없습니다. 원자로 내부, 특히 전환기 영역의 설계 제약에는 1300°C1에 도달하는 정상 작동 온도, 엄청난 열충격을 초래하는 반복적인 플라즈마 충돌2,3, 극한 에너지에서 중성자 충격 및 이온 주입 형태의 방사선 손상에 대한 장기간 노출 등이 포함됩니다. 및 선량률. 이러한 불리한 조건으로 인해 대부분의 기존 재료를 구현할 수 없습니다. 핵융합로 환경을 위해 선택된 재료는 이 독특한 환경에서 살아남을 뿐만 아니라 번성해야 합니다. 지금까지 생각된 가장 적대적인 환경 중 하나에서 장기적인 구조 서비스를 제공합니다.

지금까지 다양한 재료가 핵융합로의 전환 타일로서의 생존 가능성을 입증하기 위해 시험을 거쳤지만 제한적인 성공을 거두었습니다. 탄소 기반 타일은 높은 용융 온도와 광범위한 가용성으로 인해 처음에 선택되었지만 작동 중에 침식되는 것으로 나타났습니다. 또한 이러한 타일은 삼중수소와 결합하여 허용할 수 없을 정도로 높은 수준의 활동을 유발하는 것으로 나타났습니다4,5. 대체품으로 높은 용융 온도와 낮은 스퍼터링 속도로 인해 순수 W 타일이 선택되었지만 반복적인 열 부하 하에서 균열 및 파손이 발생하는 것으로 관찰되었습니다1,6,7,8. 이러한 바람직하지 않은 균열 발생은 타일 형상 및 배치를 조작하여 부분적으로 완화될 수 있지만7 W의 장점을 유지하면서 본질적으로 낮은 파괴 인성을 극복하는 재료를 선택하는 것도 신중한 것입니다. 높은 사용 온도와 제한된 스퍼터 속도의 원하는 조합을 유지하면서 텅스텐의 취성 거동을 방지하기 위해 Neu 등은 텅스텐 중질 합금(WHA)으로 알려진 합금 종류를 제안했습니다. 2016년 실험 시험에서 전환 타일용1. 이러한 합금은 전통적으로 Ni, Fe 또는 Cu로 구성된 2차 상과 함께 높은 텅스텐 함량(≥ 90%)을 유지하므로 플라즈마 외장 재료 부품(PFMC)에 탁월한 후보로 보입니다. 이 2차 상은 연성 상 강화(DPT)로 알려진 현상을 통해 W의 파괴 인성을 증가시킵니다. 본질적으로 연성을 향상시키기 위해 더 단단하고 더 부서지기 쉬운 재료에 연성 재료를 의도적으로 도입하는 것입니다. 특히, 원자로 내부에서 경험하는 높은 작동 온도로 인해 Cu 기반 연성상보다 WHA를 함유한 Ni-Fe의 용융 온도가 더 높아졌습니다. 지금까지 W-Ni-Fe WHA는 PFMC로서의 초기 시험과 ASDEX 업그레이드 및 외부 테스트와 같은 테스트 원자로에서 긍정적인 결과를 얻었습니다1,2,3,7,8,9. 제안된 채택은 아직 초기 단계이지만, 특히 서로 다른 위상 경계 강도 및 조사 동작과 관련하여 핵융합로 내부의 확장된 서비스 하에서의 동작에 대해 많은 부분이 알려지지 않았습니다.