Российские ученые из научного института «Росатома» в Троицке, являющегося частью Научного дивизиона госкорпорации «Росатом», а также из ООО «РАРМА» (Липецк) и НИЯУ МИФИ разработали новый метод уменьшения количества примесей в термоядерной плазме и защиты стенок реактора от износа.
Температура плазмы в термоядерном реакторе способна значительно превышать температуру, наблюдаемую в центре Солнца. Энергетические потоки и частицы, выделяющиеся из плазмы, а также ее нестабильность, могут приводить к повреждению внутренней поверхности реактора. Испарение материала стенки, в свою очередь, снижает температуру плазмы, что оказывает неблагоприятное воздействие на ход термоядерной реакции.
Ученые нашли способ решения задачи, которая ранее казалась невозможной: внутренние поверхности реактора изготавливаются из вольфрама. Несмотря на то, что вольфрам является самым тугоплавким металлом, он также подвержен повреждениям при контакте с плазмой. Для защиты предложено диффузионное насыщение вольфрамовой поверхности атомами бора. Это приводит к формированию на внутренней стенке реактора защитных слоев из боридов – химических соединений бора и вольфрама, относящихся к высокотемпературным материалам. По словам заместителя генерального директора ООО «РАРМА» Сергея Ипатова, образовавшийся боровый слой на поверхности вольфрама призван устранить основную проблему этого металла – проникновение заряженных частиц в плазму токамака. Поверхность, защищенная таким слоем, приобретает уникальное свойство: микротрещины, возникающие в результате сильных тепловых воздействий, самостоятельно затягиваются за счет плавления оксидов бора и формирования стекловидной структуры.
По словам руководителя кафедры физики плазмы Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ», доктора физико-математических наук. 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.
В ходе моделирования срывов плазмы было выявлено, что скорость разрушения вольфрама, покрытого боридным слоем, ниже, чем у чистого вольфрама. Кроме того, бор, входящий в состав покрытия, действует как эффективный абсорбер кислорода. Таким образом, борированный слой вольфрамовой поверхности толщиной 0,1 мм способен уменьшить содержание примесей в термоядерной плазме на протяжении всего срока службы реактора ИТЭР. Это позволит отказаться от системы боронизации в тлеющем разряде, которая в настоящее время находится в стадии разработки.
Директор Проектного центра ИТЭР госкорпорации «Росатом», доктор физико-математических наук. Анатолий Красильников дал высокую оценку проделанной учеными работе и рекомендации по дальнейшему исследованию борсодержащих диффузионных покрытий для обращенных к плазме элементов. «В целях взаимодействия с Китаем в области разработки термоядерных реакторов, в скором времени планируется проведение испытаний нашей новой технологии на действующем токамаке EAST. Это необходимо для последующего использования на токамаке BEST, строительство которого в Китае намечено завершить в 2027 году. Дальнейшим этапом станет международный реактор ИТЭР», – поделился он.
Ведущий конструктор научно-исследовательского института «Росатома», расположенного в Троицке Павел Пискарев отметил перспективность разработки и высокую значимость результатов применительно к использованию в проектирующемся российском токамаке с реакторными технологиями (ТРТ). «В нашей стране разработаны и успешно применяются технологии изготовления теплоотводящих панелей для первой стенки с вольфрамовым покрытием в рамках участия в проекте ИТЭР. Использование борированного вольфрама вместо чистого не влечет за собой существенной перестройки существующих производственных процессов и может быть реализовано относительно просто, что открывает значительные возможности», – рассказал он.
Ожидается, что статья будет опубликована в скором времени в журнале «Вопросы атомной науки и техники» (ВАНТ).
Данные предоставлены Национальным исследовательским ядерным университетом МИФИ