В настоящее время в мире разрабатываются и уже функционируют несколько экспериментальных термоядерных реакторов, которые отличаются по своим масштабам и конструктивным особенностям. Однако у всех них есть общая задача — подобрать материал для первой стенки, которая будет способна выдержать экстремальный нагрев, возникающий при взаимодействии с плазмой. Ученые из Института ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН и Института химии твердого тела и механохимии СО РАН осуществляют серию исследований, направленных на изучение свойств различных керамических материалов при термоядерных температурах.
Испытания проводятся на установке ВЕТА в ИЯФ СО РАН, где на материал воздействуют лазерными и электронными пучками, имитируя тепловую нагрузку от плазмы. В последних испытаниях на устойчивость к термоядерным нагрузкам был проверен диборид титана, изготовленный в ИХТТМ СО РАН. Образцы продемонстрировали хорошую теплопроводность и отсутствие эрозии.
«Первая стенка, а также любые другие обращенные к плазме элементы под ее воздействием подвергаются эрозии, испаряются и трескаются, вследствие чего микрочастицы материала летят в плазму и засоряют ее, — прокомментировал советник дирекции ИЯФ СО РАН доктор физико-математических наук Александр Бурдаков. — Первая стенка токамака ИТЭР будет сделана из вольфрама, так как по сравнению с первоначально выбранным вариантом, бериллием, он не токсичен и более устойчив к экстремальным температурам. Однако несмотря на преимущества перед бериллием, вольфрам тоже не идеален, у него большое зарядовое число и при попадании тяжелых частиц в горячую плазму термоядерный реактор может не заработать. Чтобы предотвратить подобные явления вольфрам предлагается покрывать материалом с маленьким зарядовым числом. В рамках реализации проекта ИТЭР целая группа научно-исследовательских институтов занимается вопросом подбора нужного материала. ИЯФ СО РАН работает в этом же направлении, но по своей линии. Институт реализует свой флагманский плазменный проект — ГДМЛ (газодинамическая многопробочная ловушка). Планируется, что ГДМЛ продемонстрирует возможность проектирования компактного, экономически и экологически привлекательного термоядерного реактора на основе магнитных ловушек открытого типа. И проблема первой стенки встанет и при его создании, потому что это общее место для всех термоядерных реакторов».
Преимущество установки в том, что ученые могут в режиме реального времени отслеживать степень эрозии и момент, когда она начинается, а также определять повышение температуры, поток тепла, изменение шероховатости поверхности. «Процессы повреждения обращенных к плазме материалов могут приводить к интенсивному засорению плазмы материалами стенки, поэтому их изучение очень важно для покорения УТС, — добавил научный сотрудник ИЯФ СО РАН кандидат физико-математических наук Дмитрий Черепанов. – Керамик, которые потенциально могут смягчить нежелательное влияние на плазму, довольно много. Мы провели цикл поисковых работ, изучили карбид бора, карбид кремния, диборид циркония и вот перешли к дибориду титана. С точки зрения стойкости к импульсному нагреву он оказался среди наиболее устойчивых кандидатов. Так получилось, в том числе, благодаря хорошей теплопроводности, позволяющей снизить вероятность перегрева поверхности. Еще одно преимущество в электропроводности, которая у диборида титана на уровне металлической, что снижает возможность появления разрушительных для материалов униполярных дуг».
Как говорят исследователи, эти исследования интересны еще и тем, что учены смогли испытать и сравнить диборид титана коммерческого производства и экспериментальные образцы. Последние изготовили химики из ИХТТМ СО РАН. Экспериментальные образцы оказались заметно устойчивее к нагреву электронным пучком. На их поверхности при импульсном нагреве до температуры 1 100 Кельвин не наблюдалось образования кратеров, в отличие от коммерческой керамики, на которой один такой дефект мог быть миллиметрового характерного размера.
Эксперимент по спеканию диборида титана для специалистов ИЯФ СО РАН был пробным, он сразу принес хороший результат — увеличение прочности на 50 процентов. «Мы получаем сверхчистые реагенты, благодаря имеющимся технологиям и оборудованию, из которых спекаем образцы. Кроме того, перед спеканием каждая частица порошка проходит многочасовую (семь суток и дольше) обработку поверхности на специальной установке — в процессе поверхность частичек очищается и приобретает специальный дефектный рельеф, что способствует их прочному спеканию между собой. И самое главное, мы можем имплантировать в частицы добавки, которые улучшают как процесс спекания керамики, так и прочность конечного продукта, — говорит заведующий лабораторией ИХТТМ СО РАН доктор химических наук Борис Толочко и отметил, что есть шансы еще улучшить прочность диборида титана.