Физики создали стенд для изучения поведения материалов термоядерных реакторов

Экспериментальный стенд для изучения усталостного разрушения материалов под действием быстрых повторяющихся тепловых нагрузок разработали и запустили специалисты Института ядерной физики им. Г. И. Будкера (ИЯФ) СО РАН, 5 августа сообщает пресс-служба ИЯФ.

Исследования поведения материалов под нагрузкой необходимы для разработчиков термоядерного реактора-токамака (то есть такого, в котором для поддержания управляемого термоядерного синтеза используется тороидальная установка для магнитного удержания плазмы).

Ученым необходимо знать, как поведут себя материалы, из которых предполагается изготовить первую стенку реактора, когда на них обрушатся мощные импульсные потоки плазмы и излучения с температурой около 100 миллионов градусов.

Стенд, созданный в ИЯФ СО РАН, позволяет быстро воспроизвести полный цикл таких нагрузок (составляющих, по расчетам, 10 миллионов импульсов нагрева), которые должна будет выдерживать эта стенка в течение всего периода срока службы реактора. На стенде для моделирования этих нагрузок потребуется две рабочие недели, тогда как другим аналогичным по функциям установкам на это требуется около года.

Одна из важнейших проблем, с которыми сталкиваются физики при создании термоядерного реактора, заключается в подборе материалов первой стенки камеры, удерживающей горячую плазму и непосредственно контактирующей с ней. Старший научный сотрудник ИЯФ СО РАН Виктор Куркучеков рассказал, какие задачи должен помочь решить созданный ими стенд:

«На сегодняшний день не существует какой-то четкой теоретической базы, в которой было бы прописано, при каких нагрузках и как происходит разрушение материалов. Есть достаточно работ, где отдельно исследуется влияние, например, тепловой нагрузки, но в условиях термоядерных реакторов материал также подвергается дополнительному воздействию быстрых ионов и нейтронов. При этом стойкость материалов при комбинированном воздействии значительно снижается».

В настоящее время для изготовления первой стенки строящегося токамака ИТЭР (Международный экспериментальный термоядерный реактор) выбран вольфрам как самый тугоплавкий из металлов. Альтернативой ему физики рассматривают специальную керамику, например, на основе соединений бора.

В разработанной в ИЯФ СО РАН установке моделирование нагрузки от тепловых ударов горячей плазмы, воздействующей на стенку реактора в токамаке при ЭЛМ-неустойчивостях в плазме, производится за счет интенсивного частотно-импульсного пучка, создаваемого электронной пушкой.

«Наш метод подходит для всех термоядерных установок, так как нагрузки на первую стенку и дивертор во многом определяются параметрами плазмы и для различных установок будут плюс-минус одинаковыми», — отметил Виктор Куркучеков.

Разработчики стенда отмечают, что ранее никому не удавалось смоделировать суммарную нагрузку, оказываемую на материал стенки в течение всего периода работы реактора.

«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, — пояснил научный сотрудник ИЯФ СО РАН Игорь Кандауров, — новая установка рассчитана на очень большое количество импульсов».

Кандауров сообщил, что существующие стенды, стреляют единично, они смогли набирать лишь десятки и сотни импульсов, тогда как разработчики ИЯФ СО РАН поставили своей задачей 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», — заявил ученый.

По словам Игоря Кандаурова, использование модулированного пучка позволяет за один импульс достичь нужной нагрузки на мишень при сравнительно невысокой средней мощности пучка, что дало возможность сделать установку компактнее, проще и дешевле, чем аналогичные электронно-лучевые установки других лабораторий, где мишень сканируется непрерывным пучком.

Специалисты ИЯФ СО РАН уже собрали и протестировали стенд. Виктор Куркучеков сообщил о полученных результатах:

«Мы сделали свой первый миллион выстрелов и убедились, что сможем достичь требуемых характеристик. Теперь нужно подготовить диагностический комплекс, чтобы непосредственно наблюдать и изучать модификацию поверхности материалов в процессе облучения. Поэтому самое интересное еще впереди. В дальнейшем предполагаются испытания вольфрама, который уже принят для ИТЭРа, а также других перспективных материалов».

Стенд по изучению усталостного разрушения, кроме термоядерного материаловедения, предоставляет новые возможности ученым для исследований в области плазменной и ускорительной физики.

Для повышения устойчивости кольцевого пучка электронов специалисты, работающие с источником пучка, разработали новую конструкцию, о которой рассказал научный сотрудник ИЯФ СО РАН Данила Никифоров:

«Новшество этого источника — кольцевой катодный узел, откуда вылетают частицы, — если вы возьмете катод в форме кольца, то столкнетесь с неравномерностью эмиссии, это значит, что поперечное распределение заряда в пучке будет неравномерным, что осложнит расчет тепловой нагрузки. Поэтому мы придумали специальный внутренний электрод из тантала, которым закрыли внутреннее отверстие кольцевого катода. Экспериментально нами было показано, что при больших температурах катода (около полутора тысяч градусов) этот электрод не разрушается. Это новшество, которое никто ранее не применял».

Новая конструкция источника пучка электронов позволит научным сотрудникам и студентам исследовать, например, эволюцию неустойчивостей, а также работать с более чистым и стабильным пучком, так как за время испускания полутора миллионов импульсов признаков деградации пучка замечено не было.

Объединение сил сотрудников разных лабораторий ИЯФ СО РАН позволило в рекордные сроки — всего за один год — реализовать разработку стенда от идеи до реализации, подчеркнул Игорь Кандауров.