Ученые из Троицкого института инновационных и термоядерных исследований, Московского физико-технического института и Московского энергетического института совершили значительный прорыв в области защиты материалов от экстремальных тепловых нагрузок, характерных для условий управляемого термоядерного синтеза. Результаты их исследования, опубликованные в журнале «Вопросы атомной науки и техники. Серия: Термоядерный синтез», демонстрируют удивительный эффект экранирования вольфрама, основанный на использовании тонкого слоя висмута.
Создание термоядерного реактора — задача колоссальной сложности. Внутри реактора, в камере, где происходит управляемый термоядерный синтез, на материалы стенок обрушиваются мощнейшие потоки плазмы — ионизированного газа с температурой в миллионы градусов. Эти потоки несут колоссальную энергию, способную мгновенно разрушить практически любой материал. Вольфрам, известный своей тугоплавкостью, рассматривается как один из наиболее перспективных материалов для внутренней облицовки реактора. Однако даже вольфрам подвержен разрушению при воздействии потоков энергии порядка 1 кДж/см² в течение 10 мкс.
Проблема защиты материалов от таких нагрузок активно исследовалась в течение многих лет. Разрабатывались различные методы, включая использование массивной инжекции газа и специальных покрытий. Однако достижение необходимого уровня защиты остаётся сложной инженерной задачей.
В недавнем исследовании российские ученые решили провести испытания вольфрама, покрытого тонким слоем висмута. Следует отметить, что изучение воздействия плазменных потоков на вольфрам с покрытием из висмута проводятся не впервые. Ранее уже проводились исследования формирования трещин после воздействия водородного плазменного потока в вольфраме, покрытым тонким слоем легкоплавкого металла — висмута. Мотивацией такой постановки эксперимента в то время послужила уверенность, что в ИТЭР формирование напыленного слоя будет происходить в результате осаждения бериллия, испаренного с первой стенки токамака, на поверхность диверторных пластин. Однако объявление висмута бериллиево-подобным металлом является не корректным в силу большого атомного номера висмута (Z = 83). В то же время для выяснения первопричины влияния висмута на снижение образования трещин в вольфраме, а также исследования теплового воздействия мощного потока водородной плазмы на вольфрамовую мишень со слоем висмута потребовались дополнительные эксперименты.
Исследования проводились на импульсном плазменном ускорителе МК-200, который способен генерировать мощные потоки водородной плазмы с плотностью энергии около 600 Дж/см² и длительностью 15 мкс. Поток плазмы направлялся на вольфрамовую пластинку размером 30 × 30 × 3 мм, предварительно покрытую тонким (7,5 мкм) слоем висмута.
Рисунок 1. Схема эксперимента на установке МК-200: 1 — импульсный плазменный ускоритель; 2 — катушки магнитного поля; 3 — магнитные зонды; 4 — катушки Гельмгольца; 5 — мишень; 6 — плазменный поток; 7 — мишенная плазма; 8 — система патрубков; 9 — линза, 10 — пирометр; 11 — спектрометр. Источник: «Вопросы атомной науки и техники. Серия: Термоядерный синтез».
Была проведена серия из двадцати последовательных пусков, в ходе которых контролировалась динамика температуры центральной зоны фронтальной поверхности мишени площадью 12 квадратных миллиметров, а также регистрировалось излучение примишенной плазмы.
Результаты превзошли все ожидания. В течение всей серии пусков свечение плазмы не распространялось далее 4–6 см от поверхности мишени. Основная часть энергии плазменного потока расходовалась на нагрев и ионизацию испаренного с поверхности висмута а также на излучение образующейся примишенной плазмы. Благодаря эффекту экранирования, создаваемому парами висмута, на вольфрамовую подложку приходилось значительно меньшее количество энергии — около 12 Дж/см² что в четыре раза меньше предельного уровня энергии, поглощаемой вольфрамом при импульсном воздействии мощного потока водородной плазмы в экспериментах с незащищенным, чистым вольфрамом (50 Дж/см²). Температура поверхности висмута при этом не превышала 1900 К, что значительно ниже температуры плавления вольфрама (3695 К). Спектроскопические исследования показали, что свечение плазмы висмута локализовано вблизи поверхности, не распространяясь дальше 4–6 см. Скорость испарения висмута составила около 0,5 мкм за один импульс. Кардинальное изменение спектра показало, что слой напыленного висмута окончательно испарился в 15-м пуске.
Рисунок 2. Поверхность висмута на вольфраме (а) и вольфрама без висмута (б) после воздействия водородным плазменным потоком. Источник: «Вопросы атомной науки и техники. Серия: Термоядерный синтез».
Авторы использовали передовые диагностические методы, включая инфракрасный пирометр для измерения температуры с временным разрешением 0,1 мкс и вакуумный ультрафиолетовый спектрометр для анализа спектра излучения из плазмы. Обработка данных с пирометра проводилась с использованием решения обратной задачи теплопроводности, что позволило восстановить динамику распределения температуры в глубине мишени. Исследование продемонстрировало высокую эффективность использования висмута в качестве защитного покрытия для вольфрама при воздействии мощных потоков плазмы. Низкая температура кипения висмута позволяет ему эффективно экранировать подложку, поглощая значительную часть энергии плазменного потока. Это открывает новые возможности для создания более устойчивых материалов для термоядерных реакторов.
Это исследование является продолжением предыдущей работы той же самой команды российских ученых. Ранее им удалось провести исследование, в котором они разработали способ защиты вольфрама от термоядерной плазмы при помощи газовой завесы из азота, результаты которого также опубликованы в журнале «Вопросы атомной науки и техники. Серия: Термоядерный синтез».
Использование газовых завес — не новая идея в термоядерной энергетике.
Этот метод уже применяется в токамаках для защиты дивертора от разрушительного воздействия плазменных потоков при срывах тока. Суть метода заключается в создании перед поверхностью материала слоя относительно холодного газа, который частично поглощает и переизлучает энергию плазменного потока, снижая тепловую нагрузку на материал. В прошлом исследовании ученые изучали влияние азотной газовой завесы на экранировку вольфрама при воздействии мощных потоков водородной плазмы.
Исследование проводилось на установке МКТ, генерирующей высокоэнергетичные потоки плазмы, и импульсный газовый клапан для создания азотной завесы перед вольфрамовой мишенью. Плотность атомов азота в завесе регулировалась изменением давления газа в клапане.
Рисунок 3. Схема экспериментов на установке МКТ: 1 — импульсный плазменный ускоритель; 2 — ускоряемая плазма; 3 — соленоиды; 4 — газовая завеса; 5 — вольфрамовая мишень; 6 — мишенная плазма; 7 — газовый клапан с формирователем струи; 8 — магнитные зонды. Источник: «Вопросы атомной науки и техники. Серия: Термоядерный синтез».
Эксперименты показали, что азотная газовая завеса с плотностью атомов 2⋅10¹⁷ см⁻³ существенно снижает тепловую нагрузку на вольфрамовую мишень. Поглощаемая мишенью энергия уменьшилась в 2–2,5 раза по сравнению с экспериментом с незащищенным вольфрамом. Ученые экспериментально определили зависимость поглощенной энергии от плотности частиц в завесе, продемонстрировав эффективность метода. Более того, газовая завеса эффективно ограничивает распространение паров вольфрама, предотвращая их взаимодействие с налетающим потоком плазмы и загрязнение плазмы тяжелыми примесями.
Рисунок 4. Зависимость максимальной плотности поглощенной мишенью энергии от плотности атомов в азотной газовой завесе. Источник: «Вопросы атомной науки и техники. Серия: Термоядерный синтез».
Спектроскопические исследования показали, что в присутствии азотной завесы излучение плазмы висмута локализовано вблизи поверхности, при этом заметно уменьшается яркость излучения вольфрама на расстояниях более 1 см от поверхности. Это подтверждает, что азот эффективно предотвращает распространение вольфрамовых паров.
Рисунок 5. Влияние плотности газовой завесы на распределение тепла по поверхности мишени: а — без использования газовой завесы; б — азотная завеса с n ≈ 1,4·1017 см–3; в — азотная завеса с n ≈ 2·1017 см–3. Источник: «Вопросы атомной науки и техники. Серия: Термоядерный синтез».
Рисунок 6. Динамика свечения мишенной плазмы: а — без газовой завесы; б — с азотной завесой n ≈ 8·1016 см–3. Здесь t = 0 — время старта ускорителя. Источник: «Вопросы атомной науки и техники. Серия: Термоядерный синтез».
При использовании газовой завесы из азота с плотностью атомов n ≈ 8·1016 см–3 результаты измерения плотности поглощенной энергии и численные расчеты динамики температуры образца показывают, что в ходе эксперимента температура большей части поверхности вольфрамовой мишени достигает температуры кипения. Однако источник излучения оказывается локализован вблизи мишени и не отходит от неё далее 1 см. Максимум яркости излучения наблюдается лишь в узком слое в непосредственной близости от поверхности мишени. Даже при n < 1,4·1017 см–3 азот препятствует распространению вольфрамовых примесей вдоль силовых линий магнитного поля навстречу водородному плазменному потоку.
Такая эффективная защита происходит потому, что значительная часть энергии плазменного потока расходуется на ионизацию и нагрев азота в завесе, а также на его излучение. Эксперименты подтвердили эффективность газовой завесы как метода снижения тепловой нагрузки на поверхность вольфрама. Испарение вольфрама за счет снижения тепловой нагрузки на поверхность уменьшается, при этом распространение плазмы вольфрама навстречу водородному плазменному потоку ограничивается образующейся высоко ионизированной азотной плазмой.
Для практических применений является важным сравнение этих двух методов защиты между собой. Оба имеют свои недостатки и преимущества по отношению друг к другу.
Висмут обеспечивает эффективную, но не возобновляемую защиту, а также имеет высокий атомный номер. Азотная газовая завеса предлагает возобновляемый механизм защиты и препятствует загрязнению плазмы тяжелыми примесями, однако эффективность защиты значительно зависит от плотности газа. Выбор оптимального метода зависит от конкретных условий эксплуатации термоядерных установок.
Результаты обоих исследований имеют огромное значение для развития термоядерной энергетики. Они позволяют создавать более совершенные и надежные конструкции термоядерных реакторов, способных выдерживать экстремальные условия работы. Кроме того, эти технологии могут найти применение в других областях, таких как защита материалов от мощных тепловых потоков, например для защиты космических аппаратов от воздействия высокоэнергетических частиц и теплового излучения, для разработки теплозащитных покрытий для гиперзвуковых летательных аппаратов, а также для создания новых технологий обработки материалов с использованием мощных потоков плазмы.
«Защита обращенных к плазме элементов термоядерных установок является важной задачей для реализации задачи управляемого термоядерного синтеза. Полученные нами экспериментальные данные возможно смогут найти применение для верификации расчетно-теоретических моделей, описывающих поведение защитных покрытий под действием интенсивных плазменных потоков. Следует также отметить, что использование газовой завесы может позволить регулировать уровень теплового воздействия на материалы в процессе их обработки мощными плазменными потоками для улучшения эксплуатационных характеристик поверхностных слоев и расширит технологические возможности метода за счет облучения материалов мощным излучением, генерируемым при взаимодействии плазменного потока с нейтральным газом.», —
прокомментировал Санджи Лиджигоряев, аспирант МФТИ.
Проведенные российскими учеными исследования в области защиты материалов от экстремальных тепловых нагрузок приближают нас к эпохе термоядерной энергии.
Результаты этих исследований получены при проведении работ в рамках Государственного контракта № Н.4к.241.09.22.1074 от 28.04.2022, а также при финансовой поддержке в рамках научного проекта РФФИ № 20-21-00153.
