Доцент Института ЛАПЛАЗ НИЯУ МИФИ Дмитрий Синельников в сотрудничестве с японскими коллегами из Нагойского университета изучил свойства вольфрамовых наноструктурированных кластеров. Исследование важно не только с точки зрения защиты внутренней поверхности термоядерного реактора от эрозии — оно может стать шагом к созданию новых технологий, например, эмиссионной электроники.
Множество научных сил во всем мире сегодня тратится на разработку промышленного термоядерного реактора. Такие реакторы могут совершить переворот в энергетике. Ожидается, что они станут мощными, экологически чистыми источниками энергии и смогут эффективно перерабатывать отходы современных атомных электростанций. Но пока до создания модели работающего термоядерного реактора еще далеко, на пути ученых стоит множество нерешенных проблем.
В частности, создать такой реактор мешает проблема взаимодействия плазмы с внутренней поверхностью реактора. Температура термоядерной плазмы составляет десятки миллионов градусов, и первая (внутренняя) стенка реактора должна обладать устойчивостью к огромным тепловым нагрузкам. Да, от соприкосновения со стенками реактора плазма удерживается магнитным полем, однако полной изоляции не происходит, и на стенках происходят очень сложные процессы, многие из которых могут приводить к эрозии.
Один из материалов, который ученые предполагают использовать для изготовления поверхностей в активной зоне реакторов — вольфрам, самый тугоплавкий из известных на Земле металлов (плавится при температуре 3422 градуса). В нескольких лабораториях мира сегодня происходят эксперименты, связанные с поведением вольфрамовых поверхностей внутри реакторов.
Например, недавно ученые из США, работая на ускорителе DIONISOS в университете Висконсина, обнаружили, что на поверхности вольфрама при облучении плотной гелиевой плазмой образуются уникальные структуры, которые получили название вольфрамовые наноструктурированные кластеры (nanostructural tendril bundles, NTB).
Молодой ученый из Москвы, доцент Института ЛАПЛАЗ НИЯУ МИФИ Дмитрий Синельников в сотрудничестве с японскими коллегами из Нагойского университета изучил свойства этих структур. Результаты исследования опубликованы в высокорейтинговом научном журнале Nuclear Materials and Energy.
По словам Дмитрия Синельникова, механизм образования NTB еще не известен. Однако эти «новообразования» могут оказаться весьма вредными для работы реактора: дело в том, что они провоцируют появление электрических разрядов между плазмой и стенкой. И не обычных электрических разрядов, а так называемых «униполярных дуг».
В чем особенность этих дуг? В «обычном» электрическом разряде электроны движутся от анода к катоду. В случае униполярной дуги, которая образуется в вакууме, катод является одновременно и анодом: электроны, вылетая из катодного пятна, возвращаются обратно, циркулируя, как вода в фонтане. В термоядерных реакторах униполярная дуга возникает очень легко и может буквально «прогрызть» одну из стенок токамака. К тому же эти электрические разряды могут провоцировать неустойчивость плазмы.
В российско-японском исследовании была изучена причина возникновения униполярных дуг, и, что особенно важно — определены минимальные температуры, при которых вероятность зажигания дуг существенно снижается за счет реструктуризации NTB. Таким образом, результаты исследования помогут улучшить параметры работы термоядерных реакторов.
Однако, по мнению Дмитрия Синельникова, данное исследование важно не только с точки зрения защиты внутренней поверхности реактора от эрозии — оно может стать шагом к созданию новых технологий. Ведь это внутри реактора электрический разряд нежелателен, а во многих технических устройствах он наоборот, необходим. И не станут ли наноструктурированные кластеры деталями в электронных приборах?
«Научившись управлять ростом NTB-структур на разных материалах, мы надеемся найти им практическое применение в какой-то иной технологической сфере», — говорит Дмитрий Синельников. По его словам, областью применения новых структур в будущем может стать эмиссионная электроника, то есть устройства, в которых предполагается испускание электронов твердым телом в вакуум или иную среду, например СВЧ-генераторы. По мнению Дмитрия Синельникова в перспективе наноструктурированные кластеры заменят более габаритные и менее энергоэффективные накальные катоды.