Группа российских исследователей из научного института «Росатома» в Троицке (входит в Научный дивизион госкорпорации «Росатом»), ООО «РАРМА» (г. Липецк) и НИЯУ МИФИ предложила инновационный способ снижения примесей в термоядерной плазме и защиты стенок реактора от эрозии.
Температура плазмы в термоядерной установке может во много раз превышать температуру в центре Солнца. Потоки энергии и частиц из плазмы и ее неустойчивое поведение могут повреждать внутреннюю стенку, а испарившиеся частицы стенки «охлаждают» плазму, что негативно сказывается на протекании термоядерной реакции.
Ученые предложили решение задачи, ранее считавшейся неразрешимой, – делать внутренние поверхности реактора из вольфрама. Вольфрам – самый тугоплавкий из металлов, однако и он может повреждаться при соприкосновении с плазмой. Предложенный способ защиты заключается в диффузионном насыщении вольфрамовой поверхности атомами бора. В результате на внутренней стенке реактора формируются защитные слои из боридов – химических соединений бора и вольфрама, которые относятся к классу высокотемпературных материалов. По словам заместителя генерального директора ООО «РАРМА» Сергея Ипатова, борированный слой на поверхности вольфрама должен сгладить главный недостаток этого металла – попадание многозарядных примесей в плазму токамака. У защищенной таким образом поверхности появляется необычное свойство: микротрещины, возникающие при мощных тепловых ударах, самостоятельно закрываются путем плавления окислов бора с образованием стекловидной фазы.
Как рассказал заведующий кафедрой физики плазмы НИЯУ МИФИ, д. ф.-м. н. Юрий Гаспарян, создатели разработки провели сравнительные испытания образцов вольфрама, аналогичного тому, из которого будут делать внутреннюю поверхность реактора ИТЭР, и пробных образцов вольфрама с диффузионным покрытием. Испытания термическим ударом, проведенные на квазистационарном плазменном ускорителе (КСПУ) – установке для генерации высокоскоростных потоков плазмы – показали, что порог повреждения облучением изотопами водорода поверхности вольфрама с борированным слоем при температуре 1300 – 1500 ºС получается выше, чем вольфрама без покрытия.
При имитации срывов плазмы установлено, что скорость эрозии вольфрама с борированным слоем меньше эрозии чистого вольфрама. Более того, бор в составе покрытия выступает эффективным поглотителем кислорода. Благодаря этому борированный слой вольфрамовой поверхности толщиной в 0,1 мм может обеспечить снижение примесей в термоядерной плазме на весь период эксплуатации реактора ИТЭР. При этом не потребуется использовать систему боронизации в тлеющем разряде, которая проектируется в настоящее время.
Директор Проектного центра ИТЭР госкорпорации «Росатом», д. ф.-м. н. Анатолий Красильников дал высокую оценку проделанной учеными работе и рекомендации по дальнейшему исследованию борсодержащих диффузионных покрытий для обращенных к плазме элементов.
«В рамках сотрудничества с Китаем в сфере создания термоядерных реакторов в ближайшее время необходимо провести испытания нашей новой разработки на действующем токамаке EAST с целью ее применения на токамаке BEST, строительство которого в Китае планируют завершить в 2027 году. Следующий этап — это международный реактор ИТЭР», – поделился он.
Главный конструктор научного института «Росатома» в Троицке Павел Пискарев отметил перспективность разработки и высокую значимость результатов применительно к использованию в проектирующемся российском токамаке с реакторными технологиями (ТРТ).
«Технологии создания теплоотводящих панелей первой стенки с вольфрамовой облицовкой отработаны и хорошо освоены в нашей стране в рамках участия в проекте ИТЭР. Использование борированного вольфрама вместо чистого не требует кардинальной переработки налаженных производственных цепочек и может быть легко осуществлено, при этом потенциальные преимущества огромны», – рассказал он.
Публикация работы планируется в ближайших выпусках журнала «Вопросы атомной науки и техники» (ВАНТ).
ГК «РАРМА» – российское научно-производственное объединение с подразделениями в Москве, Челябинске и собственной производственной площадкой г. Липецк. Специализируется на инновациях в сферах металловедения, лазерных технологий, промышленном инжиниринге автоматизированных и робототехнических решений, а также на производстве высокотехнологичной продукции из специальных сталей. Комплексный подход, объединяющий научные исследования, опытно-конструкторские работы и собственную производственную базу, позволяет ГК «РАРМА» создавать решения, ориентированные на применение в наукоемких отраслях, включая атомную и термоядерную энергетику.