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).
Для справки:
Научный дивизион «Росатома» проводит
новаторские фундаментальные и прикладные исследования для разработки ядерных и
неядерных технологий (в том числе в сфере замыкания ядерного топливного цикла,
термоядерного синтеза, ядерной медицины); создаёт наукоёмкие технологии как для
нее, так и для других отраслей промышленности. Включает в свой состав 13
научно-исследовательских институтов и коммерческих компаний, включая АО «НИИ
НПО «Луч», АО «ИРМ», Радиевый институт им. В.Г. Хлопина» и другие. Они
располагают развитой исследовательской инфраструктурой, а также
собственным опытным производством, способным полностью воплотить научный
замысел: от фундаментальных исследований до конструкторских разработок и
опытных образцов. Большинство научных исследований и разработок дивизиона
выполняются в рамках единого отраслевого тематического плана. В сфере
ответственности дивизиона – проведение испытаний, создание высокотехнологичного
медицинского оборудования, новых конструкционных материалов. Реализуются
проекты по коммерциализации перспективных наукоёмких технологий.
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.
Перед
российской промышленностью стоит цель в кратчайшие сроки обеспечить
технологический суверенитет и переход на новейшие технологии. Государство и
крупные отечественные компании направляют ресурсы на ускоренное развитие
отечественной исследовательской, инфраструктурной, научно-технологической базы.
Внедрение инноваций и нового высокотехнологичного оборудования позволяет
«Росатому» и его предприятиям занимать новые ниши на рынке, повышая
конкурентоспособность атомной отрасли и всей российской промышленности в целом.
Константин Фрумкин, начальник отдела по работе со СМИ
НИЯУ МИФИ
