Ученые смоделировали поведение вольфрама в термоядерном реакторе

13/04/2018, 12:15



Новосибирск, 13 апр - ИА Neftegaz.RU. Специалисты Института ядерной физики (ИЯФ) им. Г.И. Будкера СО РАН разработали технологию оптической диагностики поверхности металла, которая позволяет в реальном времени наблюдать процесс растрескивания вольфрама в результате мощного импульсного нагрева.  Об этом ИЯФ им. Г.И. Будкера сообщил 11 апреля 2018 г.

Метод помогает прогнозировать реакцию этого материала при тепловой нагрузке на 1ю стенку вакуумной камеры термоядерного реактора ИТЭР. Работа выполнена при поддержке гранта РНФ № 17-79-20203.

Благодаря применению методики, которая дает возможность изучать динамику импульсного воздействия - теплового удара и растрескивания материала, ученые ИЯФ им. Г.И. Будкера получили принципиально новые данные о поведении материалов в экстремальных условиях. Экспериментально обнаруженная задержка между воздействием на вольфрам и реакцией на него может изменить представления о механизмах хрупкого разрушения твердых тел.

Традиционные способы анализа применяются уже после теплового воздействия, и поэтому дают только косвенное представление о том, что происходило с металлом во время импульсного нагрева. В этом случае ученые вынуждены восстанавливать ход событий по следам разрушений, оставшимся на поверхности материала. Новый метод, разработанный институтом, позволяет проводить диагностику в реальном времени.

На экспериментальном стенде BETA (Beam of Electron for material Test Applications) комплекса ГОЛ-3 ученые развивают in situ (лат – «на месте») оптические диагностики.

По словам аспиранта НГУ, старшего лаборанта ИЯФ СО РАН А. Васильева, для создания теплового удара ученые используют мощный пучок электронов: он дает относительно мало фонового света, который обычно мешает в таких диагностиках. При этом ученые отслеживают состояние поверхности по структуре её теплового свечения и рассеяния на ней излучения диагностического лазера. Сочетание метода импульсного нагрева и разработанных диагностик позволяет в реальном времени отслеживать модификацию поверхности. Ученым удалось выяснить, что при равномерном нагреве, на ней могут образовываться горячие области с повышенной деформацией.

Старший лаборант также отметил, что процесс растрескивания, как показали эксперименты, также проходит намного сложнее, чем предполагалось ранее. Оказалось, что трещины могут появляться не во время теплового воздействия, а с неожиданно большой задержкой после него. При длительности импульса нагрева менее 1/1000 секунды, за которую вольфрам успевает нагреться на несколько тыс градусов, ученые наблюдали образование трещин через несколько секунд после воздействия, когда материал уже остыл до комнатной температуры.

Множество лабораторий по всему миру занимаются исследованиями воздействия мощных потоков плазмы на материалы. Устойчивость материалов 1й стенки вакуумной камеры - это 1 из ключевых проблем при создании источника энергии на основе управляемого термоядерного синтеза. Ожидается, что температура плазмы в токамаке ИТЭР будет составлять 150 млн градусов, в спокойном состоянии она удерживается магнитным полем и с поверхностью не соприкасается, но реактор предположительно будет работать в режиме, при котором неизбежны неконтролируемые выбросы плазмы.

Сейчас наиболее подходящим материалом для термоядерного реактора считается вольфрам - металл, устойчивый к термическим и радиационным нагрузкам. Во время импульсного нагрева материал сильно расширяется, а затем при охлаждении сжимается и трескается. Тепловой удар опасен тем, что, имея очень большую мощность, он наиболее интенсивно разрушает поверхность.

Новая технология позволяет ученым прогнозировать поведение вольфрама при таких нагрузках: используемый в экспериментах пучок имеет параметры, сходные с предполагаемыми импульсами плазмы в реакторе ИТЭР (длительность - до 300 микросекунд, мощность - 10 ГВт/м2).

О том, что ученые ИЯФ им. Г.И. Будкера моделируют мощные тепловые нагрузки на пластины вольфрама стало известно еще летом 2016 г.

ИТЭР (ITER, International Thermonuclear Experimental Reactor) - 1й в мире экспериментальный термоядерный реактор. Сооружения ИТЭР расположены на 180 га земли коммуны Сен-Поль-ле-Дюранс (южная Франция).

Доли участников распределятся следующим образом:
- Китай, Индия, Корея, Россия, США - каждая по 1/11 суммы;
- Япония - 2/11;
- ЕС - 4/11.
- Российская сторона за период 2013-2015 гг вложила в проект 14,4 млрд руб (около 500 млн долл США): 5,6 млрд руб в 2013 г, 4,8 млрд - в 2014 г и 3,99 млрд - в 2015 г.

Следует отметить, что финансирование происходит не перечислением денег, а путём поставок высокотехнологичного оборудования.

Успех проекта ИТЭР позволит человечеству получить безопасный и неисчерпаемый источник энергии.

Источник