Благодаря уникальным свойствам нанокомпозитных материалов, ученые сделали еще один большой шаг к созданию «полезных» реакторов термоядерного синтеза.

Термоядерный реактор — мечта всех энергетиков на протяжении последних десятилетий. Исследователи уже давно смогли осуществить реакцию ядерного синтеза, в процессе которых под воздействием колоссальных температур ядра водорода сплавляются в ядра гелия. Проблема заключается в том, что на осуществление управляемой реакции обычно требуется большее количество энергии, чем получится в результате — или вместо реактора выйдет термоядерная бомба.

На самом деле, список проблем не исчерпывается лишь этим обстоятельствам. Ученым необходимо учесть массу нюансов: следует не только подобрать правильный «рецепт» смести ионов водорода, дейтерия (изотопа водорода) и гелия-3, но и найти способ оптимального нагрева топлива и «торможения» процесса (как правило, в данном случае на помощь приходит магнитное удержание). Но самой главной остается куда более простая проблема: как построить реактор, способный сдержать огромные температуры и давление, необходимые для ядерного синтеза?

Газ против металла

Когда в плазменной смеси, раскаленной до миллионов градусов, водород сплавляется в гелий, последний обретает способность проникать даже в металлические компоненты конструкции. Он делает их структуру пористой, деформируя металл и образуя в нем полости. Разумеется, со временем это все сильнее сказывается на прочности и работоспособности всего реактора: даже если инженеры смогут осуществить гипотетические энергоположительные реакции, они скорее всего разорвут реактор на части быстрее, чем его работа окупит подобные меры.

TEXAS A&MСхематичное изображение нанокомпозитного материала. На правом слайде видны каналы, оставленные ионами гелия.

Майкл Демкович, адъюнкт-профессор материаловедения и инженерии в Texas A&M, объясняет это просто: «Однажды возникнув, гелиевые пузыри останутся в металле навсегда, потому что это очень прочный материал. Чем больше гелия скапливается в нем, тем более хрупкими становятся металлические конструкции». Но, к счастью, ученый со своей командой разработал способ решения этой проблемы. В новом исследовании, опубликованном в журнале Science Advances, Демкович и сотрудники Лос-Аламосской национальной лаборатории в Нью-Мексико описали влияние пузырьков гелия на твердые нанокомпозиты. Это тонкий слой металла, ширина которого не превышает 50 нм, «зажатый» между более толстых слоев другого материала. В ходе экспериментов ученые помещали нанопластину из меди между двух пластин ванадия, а потом вводили гелий в медный слой.

К своему удивлению, исследователи обнаружили, что в нанокомпозитных материалах гелий создает не привычные пузырьки, а целые каналы, которые распространяются по всей площади материала. Это неожиданно хорошая новость: когда в металле появляется стабильный канал, по которому гелий может свободно двигаться во время реакций синтеза, износ материала замедляется в разы. Демкович отмечает, что чем больше гелия они помещали в нанокомпозит, тем более замысловатыми становились каналы, пока в итоге они самопроизвольно не образовали настоящую капиллярную сеть.

Нанокомпозитная броня

Применение этой технологии для производства гелийустойчивых элементов — это, по мнению исследователей, лишь «вершина айсберга». Они мечтают разработать целое поколение твердых материалов, которые будут представлять собой своего рода ткани, пронизанные сетью тонких сосудов. Кроме газов, по ним можно будет передавать другие химически активные вещества или, к примеру, электричество — эти компоненты уже сейчас применяются для создания самовосстанавливающихся материалов.

Реакторы, которые не только вырабатывают энергию, но и способны ремонтировать себя сами — на первый взгляд, подобный концепт возможен только на страницах научно-фантастических произведений. К счастью, реальность в который раз доказывает, что прогресс не стоит на месте и любая фантазия уже в ближайшем будущем может стать реальностью.