Команда специалистов Института ядерной физики имени Г. И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) разработала и запустила экспериментальный стенд, который позволит изучить усталостное разрушение материалов под действием быстрых повторяющихся тепловых нагрузок. Эти исследования покажут, как поведут себя материалы, предназначенные для изготовления первой стенки термоядерного реактора-токамака, под воздействием огромных температур, мощных импульсных потоков плазмы и излучения.
От конкретной идеи до реализации прошло рекордно мало времени — работа была сделана всего за год. Это случилось благодаря удачному объединению сил сотрудников разных лабораторий ИЯФ СО РАН, результатом совместной работы которых и стал экспериментальный стенд. Уникальность установки в том, что на ней можно быстро воспроизвести полный цикл нагрузок, которым будет подвержена стенка за все ожидаемое время службы реактора. Она позволит набрать до 10 миллионов импульсов нагрева примерно за 2 рабочих недели. На других установках это занимает период около года. Работа выполнена в рамках гранта Российского научного фонда (РНФ).
Одна из важнейших проблем, с которыми сталкиваются физики при создании термоядерного реактора, заключается в подборе материалов первой стенки камеры, которая удерживает горячую плазму и непосредственно контактирует с ней. На данный момент самым подходящим материалом первой стенки крупнейшего строящегося токамака ИТЭР (Международный экспериментальный термоядерный реактор) выбран вольфрам — самый тугоплавкий из металлов. В качестве альтернативы физики рассматривают специальную керамику, например, на основе соединений бора. Для того, чтобы смоделировать поведение этих материалов под термоядерными нагрузками, по ним «стреляют» пучком электронов множество раз. Установка, созданная в ИЯФ СО РАН, работает по следующему принципу: электронная пушка генерирует интенсивный частотно-импульсный пучок, затем пучок транспортируется на испытуемую мишень в магнитном поле, которое формируется двумя катушками. Под действием пучка происходит быстрый циклический нагрев поверхности материала мишени.
«До настоящего времени в ИЯФ исследования разрушения вольфрама проводились на установке БЕТА. Она «стреляла» [пучком] раз в 30 секунд, а сделать нужно 10 миллионов импульсов, — комментирует научный сотрудник ИЯФ СО РАН Игорь Кандауров, — новая установка рассчитана на очень большое количество импульсов. Существуют стенды, которые стреляют единично, они набирали десятки и сотни импульсов. Мы хотим достичь 10 миллионов циклов нагрева при работе с частотой повторения импульсов 30 раз в секунду. Это даст возможность провести испытания материала при полном количестве циклов нагрузки сопоставимом с тем, что ожидается в диверторе токамака ИТЭР за весь расчетный срок его службы. Данных об усталостной прочности вольфрама при нагрузках такого характера на сегодняшний день в научной литературе не существует, мы будем первыми».
На данный момент стенд собран и протестирован. Помимо термоядерного материаловедения, то есть практического применения, стенд по изучению усталостного разрушения открывает и новые возможности для исследований в области плазменной и ускорительной физики. Благодаря новой конструкции научные сотрудники и студенты смогут исследовать, например, эволюцию неустойчивостей, а также работать с более чистым и стабильным пучком.
Фотографии предоставлены Институтом ядерной физики имени Г. И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН)
