Сибирские ученые проводят исследования, чтобы найти подходящие материалы для создания первой стенки термоядерных реакторов. Эта внутренняя поверхность напрямую контактирует с раскаленной плазмой и должна выдерживать экстремальные температуры. Специалисты Института ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН совместно с коллегами из Института химии твердого тела и механохимии СО РАН изучили поведение диборида титана в условиях, приближенных к термоядерным. Испытания проводились на установке BETA в ИЯФ СО РАН, где материал подвергался воздействию лазерных и электронных пучков, имитирующих тепловую нагрузку от плазмы. Полученные образцы продемонстрировали высокую теплопроводность и отсутствие признаков эрозии после серии импульсов.
Проблема выбора материала для первой стенки является общей для всех проектов термоядерных реакторов. Под воздействием плазмы поверхность может разрушаться, что приводит к загрязнению плазмы частицами материала и нарушению рабочего процесса. В токамаке ИТЭР первую стенку планируют изготовить из вольфрама, но и этот материал имеет свои недостатки, такие как высокое зарядовое число. Поэтому рассматриваются варианты его покрытия другими соединениями.
Как отметил советник дирекции ИЯФ СО РАН Александр Бурдаков, институт ведет собственные разработки в рамках проекта газодинамической многопробочной ловушки (ГДМЛ), где также потребуется решение проблемы первой стенки. Установка BETA позволяет моделировать импульсный нагрев, возникающий из-за пульсаций плазмы, и в режиме реального времени отслеживать параметры, такие как начало эрозии, температура и изменение состояния поверхности. В ходе поисковых работ были проверены различные керамические материалы, включая карбид бора и диборид циркония. Диборид титана проявил себя как один из наиболее стойких кандидатов.
Наша установка позволяет отслеживать в реальном времени начало и степень эрозии, а также повышение температуры, поток тепла и изменение шероховатости поверхности. Мы исследовали различные керамики, включая карбид бора и кремния, диборид циркония, и в итоге перешли к дибориду титана. Он показал высокую стойкость к импульсному нагреву благодаря хорошей теплопроводности, предотвращающей перегрев, и металлической электропроводности, подавляющей униполярные дуги. Мы испытали как коммерческий диборид титана, так и экспериментальные образцы, созданные химиками ИХТТМ СО РАН. Экспериментальные образцы оказались значительно устойчивее: при нагреве до 1100 К на их поверхности не образовывались кратеры, в отличие от коммерческой керамики с дефектами до миллиметра в размере
Заведующий лабораторией ИХТТМ СО РАН Борис Толочко объяснил, что результат достигнут благодаря комплексному подходу. В институте самостоятельно синтезируют сверхчистые реагенты, проводят многочасовую подготовку поверхности порошковых частиц и используют специальные добавки, улучшающие процесс спекания и конечную прочность материала. Это позволило увеличить прочность экспериментального диборида титана примерно на 50% по сравнению с доступным на рынке. Работа сибирских ученых продолжается, и дальнейшие исследования могут привести к созданию еще более совершенных материалов для термоядерной энергетики будущего.
Ранее Наука Mail рассказывала, что исследователи в Китае обошли ограничение плотности плазмы в термоядерном реакторе.
