Экспериментальный стенд ИЯФ СО РАН. Фото: Елизавета Койнова / ИЯФ СО РАН
В Институте ядерной физики им. Г.И. Будкера Сибирского отделения РАН заработал уникальный экспериментальный стенд для изучения усталостного разрушения материалов под действием быстрых повторяющихся тепловых нагрузок, как в термоядерном реакторе. Новая установка позволит исследовать воздействие огромных температур (более 1 тыс. ℃) и мощных импульсных потоков плазмы и излучения на материалы, предназначенные для изготовления первой стенки термоядерного реактора-токамака. Работа выполнена при поддержке гранта Российского научного фонда.
Специалисты ИЯФ СО РАН работали над созданием новой установки в течение одного года. Она позволяет воспроизвести полный цикл нагрузок на стенку термоядерного реактора за все ожидаемое время его эксплуатации и значительно ускорить этот цикл, всего за две недели набрав до 10 млн импульсов нагрева, в то время как другим установкам для этого требуется значительно большее время.
Термоядерный синтез обещает подарить человечеству практически неисчерпаемый источник энергии. При строительстве термоядерного реактора исследование материалов играет принципиальную роль, ведь от их свойств зависит то, как в стенках реактора будет удерживаться раскаленная плазма, обеспечивающая протекание реакции. При этом в термоядерном реакторе должно выделяться энергии больше, чем затрачивается на нагрев плазмы.
Ученые ИЯФ СО РАН рассказали, что на текущий момент нет четкой теоретической базы, объясняющей, при каких нагрузках и как происходит разрушение материалов. Существуют работы, 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 может значительно снижаться, подчеркивают специалисты. Новая установка, созданная сибирскими учеными, позволит приблизиться к решению этой проблемы.
Подробнее об исследовании корреспонденту «Научной России» рассказал старший научный сотрудник ИЯФ СО РАН кандидат физико-математических наук Виктор Куркучеков:
Пучок электронов. Фото: Виктор Куркучеков / ИЯФ СО РАН
«Наша установка позволяет моделировать тепловые нагрузки, сопоставимые по уровню с ожидаемыми в токамаке-реакторе, при большом совокупном числе импульсов нагрева. В качестве источника нагрева используется частотно-импульсный электронный пучок. На сегодняшний день мы провели первые эксперименты по проверке проектных параметров установки. В ближайшем будущем мы планируем уточнить полученные результаты, для чего в настоящее время создаются дополнительные диагностики электронного пучка. Также в ближайшие планы входит создание комплекса диагностик, позволяющих отслеживать состояние исследуемого материала под воздействием тепловых нагрузок. Более отдаленная перспектива ― это эксперименты по исследованию стойкости вольфрама, как материала, выбранного для облицовки дивертора ИТЭР. Целью нашей работы является исследование поведения материалов при нагрузках, сопоставимых с нагрузками в будущих термоядерных установках, это позволит лучше понимать пределы их применимости и испытывать новые перспективные решения. <…> Преимущества термоядерной энергетики ― весьма обширный вопрос. Если отвечать тезисно, то обычно упоминают потенциально неисчерпаемые запасы топлива, высокую энергоэффективность и относительную безопасность управляемого термоядерного синтеза в сравнении с другими технологиями генерации энергии. Однако при всех своих плюсах освоение данной технологии является задачей беспрецедентной сложности как с физической, так и с инженерной точки зрения. На сегодняшний день параметры наиболее близкие к реакторным предполагается достичь на установке ИТЭР. Для достижения проектных параметров плазму в ИТЭР необходимо нагреть до температуры около 150 млн ℃. При этом плазма должна обладать требуемой плотностью и удерживаться достаточно долго. Как я уже сказал, реализовать это непросто, и требуются решения множества вспомогательных задач, над чем работают многие научные команды в мире, и мы одна из них».
Новость подготовлена при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ