Группа российских исследователей из Научного института «Росатома» в Троицке, ООО «РАРМА» в Липецке и НИЯУ МИФИ представила новый способ снижения примесей в термоядерной плазме и защиты стенок реактора от эрозии. Это достижение становится особенно актуальным в свете того, что температура плазмы в термоядерной установке может во много раз превышать температуру в центре Солнца, что приводит к серьезным вызовам для конструкции реакторов.
Проблема, которую решают ученые, связана с тем, что потоки энергии и частиц из плазмы, а также её неустойчивое поведение могут повреждать внутреннюю стенку реактора. Испарившиеся частицы стенок «охлаждают» плазму, что негативно сказывается на протекании термоядерной реакции. Для решения этой задачи ученые предложили использовать вольфрам для изготовления внутренних поверхностей реактора. Вольфрам, будучи самым тугоплавким из металлов, всё же подвержен повреждениям при соприкосновении с плазмой.
В качестве метода защиты предложено диффузионное насыщение вольфрамовой поверхности атомами бора. Это позволяет создавать защитные слои из боридов – химических соединений бора и вольфрама, которые обладают свойствами высокотемпературных материалов. Заместитель генерального директора ООО «РАРМА» Сергей Ипатов отметил, что борированный слой должен сгладить основной недостаток вольфрама — попадание многозарядных примесей в плазму токамака.
«У защищенной таким образом поверхности появляется необычное свойство: микротрещины, возникающие при мощных тепловых ударах, способны самостоятельно закрываться благодаря плавлению окислов бора с образованием стекловидной фазы», — пояснил Ипатов.
Заведующий кафедрой физики плазмы НИЯУ МИФИ, доктор физико-математических наук Юрий Гаспарян, добавил, что исследователи провели сравнительные испытания образцов вольфрама, аналогичного тому, что будет использоваться в реакторе ИТЭР, и образцов с борированным покрытием. Испытания, проведенные на квазистационарном плазменном ускорителе (КСПУ), показали, что порог повреждения вольфрама с борированным слоем при температурах 1300–1500 ºС выше, чем у вольфрама без покрытия.
Кроме того, имитация срывов плазмы продемонстрировала, что скорость эрозии вольфрама с борированным слоем значительно ниже, чем у чистого вольфрама. Также бор в составе покрытия оказался эффективным поглотителем кислорода, что позволяет добиться снижения примесей в термоядерной плазме на протяжении всего периода эксплуатации реактора ИТЭР без необходимости использования системы боронизации в тлеющем разряде, которая находится на стадии проектирования.
Директор Проектного центра ИТЭР госкорпорации «Росатом», доктор физико-математических наук Анатолий Красильников, высоко оценил работу ученых и подчеркнул необходимость дальнейших исследований борсодержащих диффузионных покрытий для элементов, обращенных к плазме. «В рамках сотрудничества с Китаем в области термоядерных реакторов в ближайшее время необходимо провести испытания нашей новой разработки на действующем токамаке EAST с целью применения на токамаке BEST, строительство которого планируется завершить в 2027 году. Следующий этап — это международный реактор ИТЭР», — добавил он.
Главный конструктор научного института «Росатома» в Троицке Павел Пискарев также отметил высокую значимость результатов исследования и их перспективность для использования в проектирующемся российском токамаке с реакторными технологиями. «Технологии создания теплоотводящих панелей первой стенки с вольфрамовой облицовкой отработаны и хорошо освоены в нашей стране в рамках участия в проекте ИТЭР», — резюмировал он.
Потенциальные преимущества использования борированного вольфрама являются весьма значительными. Данная работа, посвященная этому важному вопросу, планируется к публикации в ближайших выпусках научного журнала «Вопросы атомной науки и техники» (ВАНТ).
