В России и других индустриально развитых странах проводятся исследования по проблеме управляемого термоядерного синтеза (УТС) с целью сооружения к 2050 г. демонстрационного промышленного прототипа термоядерной электростанции. Термоядерные электростанции откроют возможность использования практически неисчерпаемого и безопасного источника энергии от синтеза ядер легких элементов в горячей плазме. Основной прогресс в термоядерных исследованиях к началу XXI века связан с экспериментами на крупных токамаках, схема токамака была предложена в нашей стране в 1950-х годах академиками И.Е. Таммом и А.Д. Сахаровым. На крупных токамаках – европейском JET, американском TFTR, японском JT-60U и других, в последние десятилетия были получены важнейшие результаты исследования горячей плазмы и впервые была продемонстрирована возможность достижения условий интенсивного протекания реакций ядерного синтеза и генерация нейтронных потоков большой мощности. В экспериментах на JET и ТFTR с дейтериево-тритиевой плазмой продемонстрировано термоядерное тепловыделение и достигнуты термоядерные параметры удерживаемой плазмы. Эти достижения обосновали переход к более крупной установке, реализуемой проектом ИТЭР – основным международным проектом начала XXI века в области УТС с участием 7 партнеров (ЕС, Индия, КНР, Корея, Россия, США, Япония). Международный экспериментальный термоядерный токамак- реактор ИТЭР сооружается в г. Кадараш (Франция), пуск установке планируется к 2025 г. На ИТЭР до 2035 г. планируется провести полномасштабные эксперименты для доказательства не только возможности поджига дейтерий – тритиевой (DT) плазмы, но и осуществления управляемого стационарного горения DT-смеси.
Всего в настоящее время в мире по программам УТС работает около 20 токамаков, включая JET(ЕС, Великобритания), KSTAR (Южная Корея), EAST(Китай), WEST (Франция, г. Кадараш), DIII-D (США), ASDEX Upgrade (Германия), JT-60S (сооружается в Японии), и стеллараторов, включая сверхпроводящие стеллараторы LHD(Япония) и Wendelstein 7-X(Германия). В России сооружен токамак Т-15MД (НИЦ «Курчатовский институт»), ведутся исследования на токамаках Глобус-М (ФТИ им. А.Ф. Иоффе) и Т-11М (ТРИНИТИ).
В Российской Федерации в настоящее время проводятся исследования по программе термоядерных исследований РТТН на долгосрочный период до 2030 года. Планируется создание к 2035 году пилотного опытно-промышленного гибридного ядерного реактора на основе токамака- термоядерного источника нейтронов (ТИН) для наработки ядерного топлива (плутоний-239 и уран-233) или для трансмутации долгоживущих высокоактивных отходов.
В России основная действующая национальная экспериментально-исследовательская база термоядерных исследований сосредоточена в НИЦ «Курчатовский институт» (токамаки Т-15МД и Т-10 ), АО «ГНЦ РФ ТРИНИТИ» (токамак Т-11М ), ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН (токамаки ФТ-2, ТУМАН-3М, ГЛОБУС-М), ИОФ им. А.М. Прохорова РАН (стелларатор Л-2М), ИЯФ им. Г.И. Будкера СО РАН (газодинамическая ловушка ГДЛ, многопробочная ловушка ГОЛ-3). Сооружается установка инерциального термоядерного синтеза УФЛ-2М (РФЯЦ ВНИИЭФ) - 192-канальный твердотельный лазер, на момент запуска она должна стать крупнейшей в мире. Исследования в области инерциального термоядерного синтеза проводятся на установке Ангара-5-1(ТРИНИТИ) и других. Имеются и строятся плазменные испытательные стенды и установки (КСПУ-Т, КСПУ-Ве, МК-200 и др.), обеспечивающие разработку и испытания материалов и элементов отдельных технологических систем, в том числе, для проекта ИТЭР.
В НИУ «МЭИ» на кафедре ОФиЯС проводятся исследования по многим инженерно-физическим задачам УТС [1]. В 2020 году на кафедре ОФиЯС создан научный центр «Инженерные проблемы термоядерной энергетики» 021261 (НЦ 021261). Самым динамично развивающимся научным направлением является изучение стойкости материалов термоядерного реактора под действием мощных плазменно-тепловых потоков, ожидаемых в реакторе-токамаке. В 2017 г. сооружена плазменная установка ПЛМ (плазменный линейный мультикасп), с линейной мультикасповой магнитной системой с уникально высокими параметрами плазмы для обработки материалов высокоэнергичными потоками стационарной горячей плазмы [2]. На базе установки ПЛМ в 2021 году сооружена модернизированная плазменная установка ПЛМ-М [3]. Целью работ на установках ПЛМ и ПЛМ-М является испытание тугоплавких металлов (вольфрам, молибден, титан, нержавеющая сталь, материалы международного термоядерного реактора ИТЭР), графита и литиевых жидкометаллических внутрикамерных компонентов мощными стационарными плазменно-тепловыми нагрузками. Разрабатываются технологии получения уникальной высокопористой структуры поверхности тугоплавких металлов с размером пор и нановолокон до 50 нанометров, технологии турбулентного нагрева плазмы, технологии плазменного двигателя.
Действие высокотемпературной плазмы на поверхность материала вызывает интенсивную эрозию материалов, обращенных к плазме, повторное осаждение эродированного вещества и значительное изменение структуры поверхности. В результате поверхностные слои со специфической стохастической топографией и иерархией зернистости материала растут в масштабах от нанометров до миллиметров. Роль наноразмерных частиц важна в дендритном росте структур, обеспечивая различные пути для анизотропного роста на основе агрегации, что приводит к разветвленным структурам или иерархической фрактальной топологии. Процесс диффузионно-ограниченной агрегации (DLA) регулирует рост крупномасштабных кластеров, что приводит к масштабной инвариантности топологии структуры в масштабах от наноразмерных до макромасштабных. Свойства масштабной инвариантности связаны с образованием перколяционного кластера дефектов и диссипативных структур. Масштабная инвариантность (самоподобие) в структуре и самоорганизации диссипативных структур на нано- и мезомасштабах определяет универсальные свойства твердого материала на макромасштабе, такие свойства не реализуются в материалах с кристаллической или простейшей аморфной структурой.
Металлы, в том числе тугоплавкие, с высокопористой поверхностью необходимы:
1) для эксплуатации при экстремальных тепловых и плазменно-пучковых нагрузках, в т. ч., для термоядерных и атомных реакторов;
2) для управления турбулентности плазмы путем ВЧ модуляции неустойчивостей, в т.ч. пористый вольфрам планируется для управления плазмы в ИТЭР и других токамаках-реакторах;
3) для покрытия обтекаемых поверхностей летательных аппаратов с целью уменьшения аэродинамического сопротивления при высоких скоростях;
4) для синтеза новых наноструктурных материалов с заданными функциональными свойствами и металлорганических композитных материалов;
5) как катализаторы, в т.ч. для водородной энергетики;
6) в биотехнологиях и биомедицинских применениях.
При плазменном облучении в установках ПЛМ и ПЛМ-М вольфрамовых, модибденовых, титановых, железных материалов в стационарном гелиевом разряде впервые были получены наноматериалы с различной пористостью и плотностью, в том числе, с наноструктурной поверхностью типа «пух» и стохастической иерархической гранулярностью.
После плазменной обработки на поверхности железных образцов формируются наноконуса размером 20-200 нм.
В обеспечение стационарной эксплуатации токамака-реактора разрабатываются компоненты теплозащитной облицовки дивертора и первой стенки из охлаждаемых вольфрамовых модулей, и жидкометаллических литиевых капиллярно-пористых систем. Эти компоненты испытываются в плазменных разрядах в ПЛМ и ПЛМ-М для последующих испытаний таких конструкций в токамаках Т-15МД (НИЦ «Курчатовский институт») и Т-11М (АО ТРИНИТИ).
Развитие управляемого термоядерного синтеза позволит серьёзно ускорить рост и инновационное развитие не только в атомной энергетике и энергетическом машиностроении, но и в смежных областях науки и техники, включая точное и микро-машиностроение, вакуумно-плазменные технологии различного назначения, высокотемпературную сверхпроводимость, технологии уникальных конструкционных материалов (радиационно-, коррозионно-, и криогенностойких; высокой тепло- и электропроводности).
Авторы публикации: Будаев Вячеслав Петрович, Дедов Алексей Викторович
#НИУМЭИ #МЭИ #ПервыйЭнергетический #коррозия #термоядерный #синтез #электропроводность