Ученые СО РАН провели испытания диборида титана как многообещающего материала для покрытия первой стенки термоядерных реакторов, обладающего высокой стойкостью к тепловым и радиационным нагрузкам.
Российские ученые из Института ядерной физики имени Будкера Сибирского отделения РАН в сотрудничестве с коллегами из Института химии твердого тела и механохимии СО РАН представили новый материал для покрытия первой стенки будущих термоядерных реакторов. Результаты работы опубликованы на сайте Российской академии наук и касаются испытаний различных керамических соединений, подвергнутых воздействиям, моделирующим условия высокотемпературной плазмы.
Первая стенка — это внутренняя поверхность термоядерного реактора, которая контактирует с горячей плазмой и испытывает экстремальные тепловые нагрузки. Плазма удерживается магнитным полем, однако полного вакуума в токамаке достичь невозможно, и воздействие на стенку неизбежно. Качество этой стенки напрямую влияет на стабильность работы установки: разрушение материала может привести к проникновению микрочастиц стенки в плазму и снижению эффективности синтеза.
Испытания огнем
На установке BETA в ИЯФ СО РАН исследователи подвергали образцы тепловым нагрузкам, приближенными к реальным условиям управляемого термоядерного синтеза (УТС), с использованием лазерных и электронных пучков. В ходе испытаний диборид титана (TiB2) показал высокую теплопроводность и устойчивость к эрозии. После серии высокоэнергетических импульсов на поверхности практически не наблюдалось видимых повреждений.
Согласно отчету, данный материал обладает металлической электропроводностью, что способствует подавлению появления униполярных дуг — явления, которое может разрушать поверхность стенки в условиях воздействия плазмы. Эти характеристики делают диборид титана одним из многообещающих кандидатов для покрытия испытываемых слоев.
По словам ученых, экспериментальные образцы, созданные в ИХТТМ СО РАН, показали большую устойчивость по сравнению с коммерческой керамикой: 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 актуальна не только в России, но и в международном научном сообществе. В проекте международного экспериментального термоядерного реактора ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) основным материалом первой стенки является вольфрам. Он выбран за свою высокую устойчивость к нагреву и нетоксичность, однако и он имеет свои недостатки, такие как высокое зарядовое число, влияющее на взаимодействие с плазмой.
Подобные исследования также ведутся в Великобритании. Там тестируются напечатанные на 3D-принтере гибридные материалы из вольфрама и меди, способные выдерживать экстремальные температуры до 3000°C. В Германии международный консорциум 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.
Фото: hi-tech.mail.ru