Российские ученые из научного института «Росатома» в Троицке (входит в Научный дивизион госкорпорации «Росатом»), ООО «РАРМА» (Липецк) и НИЯУ МИФИ предложили способ снижения примесей в термоядерной плазме и защиты внутренней стенки реактора от эрозии.
Выбор материала для внутренней стенки, обращенной к горячей плазме, остается одной из нерешенных задач при создании термоядерного реактора. Потоки энергии и частиц, а также неустойчивое поведение плазмы приводят к повреждению стенки, а испарившиеся частицы материала стенки охлаждают плазму и негативно влияют на термоядерную реакцию.
Ученые предложили изготавливать внутренние поверхности реактора из вольфрама — самого тугоплавкого металла. Для защиты вольфрама от повреждений при контакте с плазмой применяется диффузионное насыщение поверхности атомами бора. В результате формируются защитные слои из боридов вольфрама — высокотемпературных соединений.
По словам заместителя генерального директора ООО «РАРМА» Сергея Ипатова, борированный слой снижает попадание многозарядных примесей в плазму токамака. Поверхность с таким слоем обладает свойством самовосстановления: микротрещины, возникающие при тепловых ударах, закрываются за счет плавления окислов бора с образованием стекловидной фазы.
Заведующий кафедрой физики плазмы НИЯУ МИФИ Юрий Гаспарян сообщил, что проведены сравнительные испытания образцов вольфрама (аналогичного используемому для ИТЭР) и образцов с борированным покрытием. Испытания термическим ударом на квазистационарном плазменном ускорителе показали, что порог повреждения поверхности с борированным слоем при температуре 1300–1500 °C выше, чем у вольфрама без покрытия.
При имитации срывов плазмы скорость эрозии вольфрама с борированным слоем оказалась ниже, чем у чистого вольфрама. Бор в покрытии эффективно поглощает кислород. Слой толщиной 0,1 мм обеспечивает снижение примесей в плазме на весь срок эксплуатации реактора ИТЭР без применения системы боронизации в тлеющем разряде, которая сейчас проектируется.
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.
