В России разработано «умное покрытие» для термоядерных реакторов

Выбор материала обращённой к горячей плазме внутренней стенки реактора – одна из ключевых и до сих пор нерешенных задач при создании термоядерного реактора

Группа российских исследователей из научного института «Росатома» в Троицке (входит в Научный дивизион госкорпорации «Росатом»), ООО «РАРМА» (г. Липецк) и НИЯУ МИФИ предложила инновационный способ снижения примесей в термоядерной плазме и защиты стенок реактора от эрозии.

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.