Новости

Ученые из Национального ядерного исследовательского университета МИФИ предложили новый способ соединения обращенных к плазме материалов стенки реактора.

Результаты работы опубликованы в высокорейтинговом научном журнале Journal of Nuclear Materials.

Демонстрационный термоядерный реактор (ДЕМО) станет следующим этапом в подготовке к использованию термоядерной энергии в промышленных масштабах.

Первый этап - строящийся сейчас близ Марселя (Франция) международный термоядерный экспериментальный реактор ИТЭР (International Thermonuclear Experimental Reactor), он должен продемонстрировать научно-техническую возможность использования термоядерной энергии в мирных целях.

Если это удастся, человечество получит практически неисчерпаемый источник энергии.

Реакторы следующего поколения ДЕМО некоторые страны участницы, в том числе и Россия, построят уже на своей территории - в нем должна будет происходить реакция еще большей мощности и в практически непрерывном режиме.

В ИТЭР все материалы для строительства реактора уже определены, и первые эксперименты на нем должны начаться уже в 2025 году, ДЕМО же существуют пока только в виде теоретических разработок.

Для установок типа ДЕМО надо разрабатывать и внедрять сложные элементы и системы, которых нет ни на каких существующих сегодня экспериментальных термоядерных устройствах.

Одна из главных проблем, которую необходимо будет решить, - выбор материала для наиболее энергетически напряженных, контактирующих с термоядерной плазмой элементов реактора ДЕМО.

Если в ИТЭР основа стенок - это хромоциркониевая бронза с напаянными «плитками» из вольфрама или бериллия, то в ДЕМО, где нагрузки на стенки реактора будут гораздо более мощными, понадобится уже жаропрочная сталь

- предполагается, что в отечественной установке это будет либо аустенитная, либо феррито-мартенситная сталь ЭК-181 (по западной классификации Rusfer).

Однако среди прочих остается серьезная проблема:

необходимо создать термостойкое неразъемное соединение стали и вольфрама для элементов первой стенки и дивертора будущего реактора, которые будут находиться под нагрузками выше 2 МВт/м2 и нейтронным облучением.

Для этой цели необходимо было не просто получить новый сплав-припой из малоактивируемых элементов и отработать режимы пайки вольфрама со сталью, но и понять области применения таких паяных соединений в среде изотопов водорода - топлива термоядерных реакторов.

Этим занялась группа ученых в НИЯУ МИФИ: совместными усилиями кафедр физических проблем материаловедения и физики плазмы был разработан припой TiZr4Be для пайки вольфрама со сталью ЭК-181 и определены условия применения таких паяных соединений в водородной среде.

«Так как материалы должны быть еще и малоактивированные, то 2/3 таблицы Менделеева в таких установках применять нельзя.

Нужно разрабатывать припой с определенной температурой плавления и подобрать такой режим пайки, который позволял бы соединить очень разные по своим свойствам материалы, в частности по коэффициенту термического расширения - вольфрам и сталь.

Иначе при быстрых изменениях температуры в соединении могут возникнуть трещины, и обращенные к плазме элементы стенки реактора просто-напросто разрушатся», - рассказывает Алексей Сучков, доцент Института ядерной физики и технологий НИЯУ МИФИ.

Топливо термоядерных реакторов - это смесь изотопов водорода, дейтерия и трития, последние могут накапливаться в материалах стенки.

Кроме накопления радиоактивного трития, с точки зрения безопасности, существует и проблема водородного охрупчивания материала, а значит, нужны специфические припои, устойчивые в среде водорода.

В результате исследований российских ученых было установлено, что припой TiZr4Be с промежуточным слоем из тантала может быть использован для соединения вольфрама с малоактивируемой ферритно-мартенситной сталью.

Удержание дейтерия в соединениях W-ЭК-181 и отдельных элементах исследовалось с упором на промежуточный слой припоя.

Образцы подвергались воздействию газообразного дейтерия (p = 1-104 Па, T = 300-600°C) и плазменного разряда (T = 600°C).

Проводился всесторонний анализ состояния образцов после экспозиции, в том числе при использовании синхротронного источника излучения.

После плазменного облучения и после газовой выдержки при давлении 1 Па наблюдалась приемлемая концентрация дейтерия, что соответствует условиям эксплуатации будущих термоядерных устройств.

Однако при повышенных давлениях захват дейтерия становился слишком большим, что приводило к разрушению припоя и всего паянного соединения.

«Мы сделали первый шаг: создали макет элемента первой стенки термоядерного реактора и дивертора и испытали его в режимах, приближенных к ожидаемым в термоядерных установках,

- продолжает Юрий Гаспарян, доцент Института лазерных и плазменных технологий НИЯУ МИФИ.

- Соединение устойчиво при определенных условиях - мы выявили его ограничения по температуре и давлению окружающего газа.

Следовательно, надо либо продолжить поиски подходящих материалов, либо гарантировать допустимые условия эксплуатации».

Работа была проведена на средства грантов Российского научного фонда и Министерства науки и высшего образования.

Подчеркнем, что вклад российских ученых в создание ИТЭР и проектирование реакторов нового поколения ДЕМО является определяющим:

инициатива по созданию первой международной экспериментальной термоядерной установки принадлежала академику Е.П. Велихову, в ее основе лежит система токамак (тороидальная камера с магнитными катушками), также разработанная в 50-е годы ХХ века советскими академиками И.Е. Таммом и А.Д. Сахаровым.

Сегодня к проекту привлечены крупнейшие научные центры России - Курчатовский институт, НИЯУ МИФИ, ВНИИНМ, ТРИНИТИ, НИИЭФА, НИКИЭТ и другие, и, несмотря на санкции, научное международное сотрудничество в этой области продолжается.

Источник информации: Национальный исследовательский ядерный университет МИФИ