Plazmowe ulepszanie stali do reaktorów termojądrowych

fot. IPJ Świerk

Za pomocą impulsów gorącej plazmy naukowcy z Instytutu Problemów Jądrowych w Świerku (IPJ) modyfikują właściwości stali. W rezultacie powstaje materiał o podwyższonej odporności na reakcje utleniania, który będzie można wykorzystać przy budowie reaktorów termojądrowych. 

Jak informuje rzecznik IPJ dr Marek Pawłowski w przesłanym PAP komunikacie, intensywne wyładowanie plazmowe, trwające zaledwie ułamek sekundy, przetapia powierzchnię stali i jednocześnie wprowadza do niej atomy ceru i lantanu.

Efektem zabiegu, opracowanego w wyniku współpracy Instytutu Problemów Jądrowych w Świerku oraz Instytutu Chemii i Techniki Jądrowej (IChTJ), jest materiał o podwyższonej odporności na utlenianie w wysokiej temperaturze.

"Nasza metoda modyfikacji powierzchni stali za pomocą impulsów plazmowych to rozwiązanie unikalne w skali świata" - mówi dr inż. Bożena Sartowska z IChTJ.

W przyszłości stal modyfikowana impulsami plazmowymi prawdopodobnie znajdzie zastosowanie przy budowie jądrowych reaktorów wysokotemperaturowych oraz reaktorów termojądrowych. Elementy tych urządzeń muszą pracować w atmosferze powietrza w temperaturze 750-800 st. Celsjusza - tak wysokiej, że typowe stale tracą swe właściwości i ulegają degradacji.

Prace nad plazmowym modyfikowaniem powierzchni zainicjował zmarły w ubiegłym roku prof. Jerzy Piekoszewski (IPJ, IChTJ) i dr Bożena Sartowska. W badaniach wykorzystywane jest prętowe działo plazmowe IBIS, zbudowane w IPJ w latach 90.

"Urządzenie generuje plazmę o zadanym składzie chemicznym, bardzo gorącą. Jej temperatura może sięgać nawet 100 mln stopni, czyli wartości większych od tych, przy których zachodzą reakcje termojądrowe na Słońcu" - wyjaśnia dr Cezary Pochrybniak z Zakładu Fizyki Plazmy i Inżynierii Materiałów IPJ.

Jak tłumaczy rzecznik IPJ, głównym elementem działa IBIS są dwa koncentryczne wieńce elektrod. W obszar między nimi naukowcy wprowadzają gaz roboczy. Gdy jego gęstość staje się odpowiednio duża, do elektrod jest przykładany impuls wysokiego napięcia, co skutkuje wyładowaniem elektrycznym w obszarze międzyelektrodowym. Powstaje plazma, przez włókna której płynie gigantyczny prąd.

Wskutek działania sił magnetohydrodynamicznych dochodzi do kompresji i wytworzenia "zgęstka plazmowego" o bardzo wysokiej temperaturze. "Zgęstek" ten rozpada się po ok. 200 nanosekundach (miliardowych częściach sekundy). Strumień cząstek wyrzucanych po rozpadzie plazmy ma energię wystarczającą do przetopienia warstwy powierzchniowej mikrometrowej grubości.

Jeśli stal ma w istotny sposób zmienić swoje właściwości, np. zyskać większą odporność na utlenianie w wysokiej temperaturze, oddziałująca z powierzchnią plazma musi zawierać takie pierwiastki jak cer i lantan. W trakcie procesu jony pierwiastków znajdujących się w plazmie wnikają do przetopionej warstwy metalu. Gdy impuls ustaje, stopiony materiał krystalizuje i powstaje warstwa domieszkowana wybranymi metalami.

"W przeciwieństwie do innych procesów, nasza metoda umożliwia wytworzenie warstwy powierzchniowej doskonale związanej z rodzimym podłożem. Bardzo często struktura krystaliczna tej warstwy odpowiada strukturze podłoża" - podkreśla dr inż. Marek Barlak (IPJ).

Instytut Problemów Jądrowych w Świerku wykorzystuje działo plazmowe IBIS do wielu celów, m.in. do modyfikowania folii tytanowych palladem lub platyną.

"Badania nad plazmowym modyfikowaniem powierzchni materiałów będą rozwijane w Świerku dzięki nowym laboratoriom, których tworzenie przy wsparciu funduszy unijnych rozpocznie się zapewne już w drugiej połowie roku. Komercjalizacja technologii opracowanej przez naukowców z IPJ i IChTJ będzie możliwa m.in. w Parku Naukowo-Technologicznym powstającym na terenie ośrodka" - zapowiada rzecznik IPJ.

PAP - Nauka w Polsce