Технология ядерного синтеза

Разработка термоядерной энергии признана Национальной инженерной академией одной из двенадцати главных инженерных задач 21 века. Хотя термоядерная энергия предлагает много потенциальных преимуществ в качестве долгосрочного решения мировых энергетических потребностей (включая недорогое и широко доступное топливо и экологически привлекательные характеристики безопасности и утилизации отходов), процесс использования энергии миниатюрного солнца сопряжен с многочисленными инженерными трудностями. научные задачи, варьирующиеся от разработки высокоэффективных материалов, контактирующих с плазмой, непосредственно примыкающих к высокотемпературной плазме, до проектирования и разработки передовых высокоэффективных конструкционных материалов.

Материалы, обращенные к плазме, подвергаются воздействию интенсивных стационарных тепловых потоков (сопоставимых с ~10% теплового потока на поверхности Солнца) наряду с высокими потоками частиц (изотопов H и He), которые могут вызывать выраженное поверхностное распыление и эрозию, а также нейтронная бомбардировка. Конструкционные материалы за пределами области, обращенной к плазме, должны выдерживать высокие термомеханические циклические нагрузки, коррозионные высокотемпературные хладагенты и быть устойчивыми к изменениям размеров, механических и физических свойств для чрезвычайно высоких уровней повреждения смещения, когда каждый атом может быть выбит из своего узла решетки на сотни раз в течение срока службы конструкции. Специальные материалы и компоненты в области воспроизводства, примыкающей к компонентам, обращенным к плазме, также необходимы для пополнения тритиевого топлива, необходимого для запуска реакции синтеза.

Темы исследований

Взаимодействие плазмы с материалами

Исследование взаимодействия плазмы и материалов (PMI) сосредоточено на проблемах проектирования стенки корпуса реактора, которая должна выдерживать экстремальные потоки тепла, заряженных частиц и нейтронов высокой энергии, испускаемых термоядерной плазмой активной зоны. В то же время плазма должна быть защищена от любых частиц, эродирующих со стенки, потому что эти примеси будут создавать паразитные радиационные потери мощности, поскольку примеси истощают энергию плазмы и растрачивают ее на испускание фотонов. Исследования PMI требуют использования физики пограничной плазмы, материаловедения, вычислительного моделирования и развития диагностики.

Эти инструменты используются для понимания того, как ведет себя плазма, когда она выходит из ядра и движется к стенке, а также как материал, обращенный к плазме, реагирует на приток тепла и частиц. Исследования PMI направлены на определение рабочих конфигураций плазмы, которые сводят к минимуму повреждение стенок при сохранении высокой температуры ядра, а также на разработку надежных материаловедческих решений для создания компонентов, обращенных к плазме, которые могут обеспечить долгосрочную работу.

Посмотрите видео об этой области исследований от доцента Дэвида Донована.

Fusion Конструкционные материалы

Чтобы обеспечить безопасность и экологическую привлекательность термоядерной энергии, центральным требованием является разработка высокоэффективных так называемых материалов с пониженной активацией, которые обеспечивают общественную безопасность во время всех мыслимых аварийных сценариев, а также не производят долгоживущих радиоактивных отходов (достигается разумным путем). подбор легирующих составов из нескольких подходящих элементов таблицы Менделеева).

Исследования в UT сосредоточены на расширенном многомасштабном вычислительном моделировании и экспериментальных исследованиях для изучения основ радиационных эффектов в материалах и влияния газов, вызванных трансмутацией нейтронов, таких как H и He, на общую микроструктурную эволюцию материалов во время облучения. Использование передовых производственных технологий, таких как аддитивное производство, также изучается для изготовления геометрически сложных, высокоэффективных конструкционных материалов с превосходной стойкостью к нейтронному облучению. Выполняются исследования как ионного пучка, так и нейтронного облучения. Налажено тесное сотрудничество с исследователями из Окриджской национальной лаборатории (ORNL) и многих других национальных и международных исследовательских институтов.

Fusion Blanket и исследования и разработки топливного цикла

Концепции пополнения тритиевого топлива, которое будет израсходовано во время работы термоядерного реактора, основаны на индуцированной нейтронами трансмутации соединений лития в области бланкета, прилегающей к компонентам, обращенным к плазме. Во всем мире исследуются как твердые керамические, так и жидкие концепции. Ключевые научные проблемы включают проникновение и улавливание изотопов водорода в этих материалах, а также передовые технологии для эффективного и надежного извлечения образующегося трития из горячих текущих жидкостей, чтобы его можно было перерабатывать в топливные таблетки для поддержания реакции синтеза.

Удобства

Полный набор экспериментальных и вычислительных средств используется для проведения исследований в области термоядерных технологий. В пользовательском центре Института передовых материалов и производства (IAMM) доступны обширные возможности для характеристики материалов, включая сканирующие просвечивающие электронные микроскопы, сканирующие электронные микроскопы, рентгеновские дифракционные установки, атомно-силовую микроскопию, рамановскую спектроскопию и испытания механических свойств методом наноиндентирования.

Современная лаборатория ионно-лучевых материалов УЗ часто используется для проведения ионного облучения материалов при температурах от криогенных до ~800 C. Специализированное оборудование для прецизионной резки, механической полировки, оптической микроскопии, высокотемпературной термообработки и механических свойств Испытания (испытания на твердость микровдавливанием, испытания на растяжение в вакууме или инертной среде и испытания на термическую ползучесть до 800°С) материалов доступны в исследовательских лабораториях факультета, расположенных в Центре научно-технических исследований, а также в IAMM.

Система сверхвысокого вакуума для термодесорбционной спектроскопии, а также специальная установка для спектроскопии аннигиляции позитронов, разработанная группой Вирта, доступна в лаборатории разработки и анализа материалов с низкой активацией (LAMDA) в ORNL. Доступ к обширному набору передового оборудования для определения микроструктурных характеристик, механических и физических свойств предоставляется в рамках действующих соглашений о сотрудничестве в области исследований в ORNL.

Лабораторное пространство на территории кампуса в SERF содержит этап воздействия плазмы UT, в котором используется компактный источник плазмы электронного циклотронного резонанса (ЭЦР) для воздействия на образцы, нагретые до одной тысячи градусов Цельсия, направленным пучком ионов, способных ускоряться до 1 кэВ. Это лабораторное пространство также используется для разработки, сборки и испытаний прототипов для расширенной диагностики плазмы и теплового потока, которые готовятся к использованию на нескольких термоядерных реакторах по всему миру.

Подключиться к УТНЭ

Открытая позиция факультета

Департамент ядерной инженерии ищет профессора, который приступит к работе осенью 2023 года. Узнайте больше о вакансии.