Kompoziti na osnovi W in WC za visoko toplotno obremenjene dele v demonstracijski fuzijski elektrarni DEMO
Oznaka in naziv projekta
J2-8165 - Kompoziti na osnovi W in WC za visoko toplotno obremenjene dele v demonstracijski fuzijski elektrarni DEMO
J2-8165 - W- and WC-based composites for high thermally loaded parts in the fusion demonstration power plant DEMO
Logotipi ARRS in drugih sofinancerjev
Projektna skupina
Vodja projekta: izr. prof. dr. Saša Novak Krmpotič, Odsek za nanostrukturne materiale, IJS
dr. Petra Jenuš, Odsek za nanostrukturne materiale, IJS
doc. dr. Andraž Kocjan, Odsek za nanostrukturne materiale, IJS
dr. Aljaž Iveković, Odsek za nanostrukturne materiale, IJS
Matej Kocen, Odsek za nanostrukturne materiale, IJS
Andreja Šestan, Center za elektronsko mikroskopijo, IJS
dr. Borut Žužek, Inštitut za materiale in tehnologije, IMT
dr. Jaka Burja, Inštitut za materiale in tehnologije, IMT
Zunanji sodelavci:
prof. Jose Ygnacio Pastor, Polytechnic University of Madrid, Španija
dr. Andrei Galatanu, National Institute of Materials Physics, Bukarešta, Romunija
prof. Chuck Henager, Pacific Northwest National Laboratory, Richland, ZDA
Vsebinski opis projekta
Izhodišča: 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.
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 (kompozit SiCf/W). 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.
Cilji: V 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 (NAZ) in jo kot vezno fazo uporabili za pripravo WC-NAZ. 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. Projekt poteka 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 v projekt vključenih doktorskih študentov.
Osnovni podatki sofinanciranja so dostopni na spletni strani SICRIS.
Faze projekta
- faza: Priprava vzorcev Wc z nizkoaktivacijsko vezno fazo
- faza: Priprava vzorcev kompozita W/W2C
- faza: Karakterizacija sestave in lastnosti
- faza: Širjenje informacij o poteku raziskave in rezultatih