Российские исследователи из Института ядерной физики имени Будкера Сибирского отделения РАН совместно с коллегами из Института химии твердого тела и механохимии СО РАН представили научной общественности новый материал для покрытия первой стенки будущих термоядерных реакторов. Работа опубликована на сайте Российской академии наук и посвящена испытаниям различных керамических соединений, подвергнутых воздействиям, моделирующим условия высокотемпературной плазмы.
Первая стенка — это внутренняя поверхность термоядерного реактора, которая контактирует с горячей плазмой и испытывает экстремальные гигантские тепловые нагрузки. Сама плазма надежно удерживается магнитным полем, но полного вакуума в токамаке достичь нельзя и воздействие на стенку неизбежно. От ее качества напрямую зависит стабильность работы установки: разрушение материала приводит к попаданию микрочастиц стенки в плазму и снижению эффективности синтеза.
Испытания огнем
На установке BETA в ИЯФ СО РАН с помощью лазерных и электронных пучков исследователи подвергали образцы тепловым нагрузкам, приближенным к реальным условиям управляемого термоядерного синтеза (УТС). В ходе экспериментов диборид титана (TiB2) продемонстрировал высокую теплопроводность и устойчивость к эрозии. После серии высокоэнергетических импульсов на поверхности практически не было видимых повреждений.
Как отмечается в отчете, материал обладает металлической электропроводностью, что помогает подавлять возникновение униполярных дуг — явление, способное разрушать поверхность стенки в условиях плазменного воздействия. Эти свойства делают диборид титана одним из перспективных кандидатов для покрытия испытываемых слоев.
По словам ученых, экспериментальные образцы материала, созданные в ИХТТМ СО РАН, оказались устойчивее коммерческой керамики: они выдерживали нагрев до 1100 К без образования кратеров, которые наблюдались на других образцах.
Мировые исследования материалов для «термояда»
Проблема выбора и разработки материалов для первой стенки стоит остро не только в России, но и в зарубежном научном сообществе. Так, в проекте международного экспериментального термоядерного реактора ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) основной материал первой стенки — вольфрам. Он выбран из-за своей высокой устойчивости к нагреву и нетоксичности, однако и он не лишен недостатков, например, таких как высокое зарядовое число, влияющее на взаимодействие с плазмой.
Аналогичные исследования ведутся и в Великобритании. Там испытываются напечатанные на 3D-принтере гибридные материалы из вольфрама и меди, способные выдерживать экстремальные температуры до 3000°C. В Германии международный консорциум также изучает сверхпрочные материалы, устойчивые к радиационному и тепловому воздействию в термоядерных установках. Свои варианты защиты разрабатывают инженеры Китая и Кореи (проекты EAST (Experimental Advanced Superconducting Tokamak) и KSTAR (Korea Superconducting Tokamak Advanced Research) соответственно),
Кроме того, продолжаются работы по созданию магнитных щитов и методов защиты от бегущих электронов, которые также представляют угрозу для внутренних поверхностей реакторов.
Преимущество нашей установки в том, что мы можем в реальном времени отслеживать степень эрозии и момент, когда она начинается, а также определять повышение температуры, поток тепла и изменение шероховатости поверхности.Дмитрий Черепанов
В настоящий момент с наибольшим оптимизмом смотрят в термоядерное будущее китайские физики, обещающие запустить УТС на токамаке BEST («Искусственном солнце») в 2027 году. Об этом и о том, почему термоядерный реактор на большинстве языков мира называется токамаком, читайте в материале Hi-Tech Mail.