В МИФИ придумали новый способ соединения элементов стенок токамака

Ученые из НИЯУ МИФИ предложили новый способ соединения обращенных к плазме материалов стенки реактора. Результаты работы опубликованы в научном журнале Journal of Nuclear Materials.

Демонстрационный термоядерный реактор (ДЕМО) станет следующим этапом в подготовке к использованию термоядерной энергии в промышленных масштабах. Первый этап — строящийся во Франции международный термоядерный реактор ИТЭР, который должен продемонстрировать научно-техническую возможность использования термоядерной энергии в мирных целях. Если это удастся, человечество получит практически неисчерпаемый источник энергии. Реакторы следующего поколения — ДЕМО, некоторые страны-участницы проекта, включая Россию, построят уже на своей территории.

Все материалы для строительства ИТЭР уже определены, первые эксперименты должны начаться уже в 2025 году. ДЕМО же существуют пока только в теории. Для установок такого типа нужно разрабатывать и внедрять сложные элементы и системы, которых нет ни на каких действующих экспериментальных термоядерных установках.

Одна из главных проблем, которую необходимо будет решить, — выбор материала для наиболее энергетически напряженных, контактирующих с термоядерной плазмой элементов реактора ДЕМО. Если в ИТЭР основа стенок — это хромоциркониевая бронза с напаянными «плитками» из вольфрама или бериллия, то в ДЕМО, где нагрузки на стенки реактора будут гораздо более мощными, понадобится уже жаропрочная сталь. Предполагается, что в отечественной установке это будет либо аустенитная, либо феррито-мартенситная сталь ЭК-181 (по западной классификации Rusfer). Однако остается серьезная проблема — необходимо создать термостойкое неразъемное соединение стали и вольфрама для элементов первой стенки и дивертора будущего реактора, которые будут находиться под нагрузками выше 2 МВт/м² и нейтронным облучением.

Для этой цели необходимо не просто получить новый сплав-припой из малоактивируемых элементов и отработать режимы пайки вольфрама со сталью, но и понять области применения таких паяных соединений в среде изотопов водорода — топлива термоядерных реакторов. Этим занялась группа ученых с кафедр физических проблем материаловедения и физики плазмы НИЯУ МИФИ разработала припой TiZr4Be для пайки вольфрама со сталью ЭК-181  и определила условия применения таких паяных соединений в водородной среде.

«Так как материалы должны быть еще и малоактивированные, то 2/3 таблицы Менделеева в таких установках применять нельзя. Нужно разрабатывать припой с определенной температурой плавления и подобрать такой режим пайки, который позволял бы соединить очень разные по своим свойствам материалы, в частности по коэффициенту термического расширения — вольфрам и сталь. Иначе при быстрых изменениях температуры в соединении могут возникнуть трещины, и обращенные к плазме элементы стенки реактора просто-напросто разрушатся», — рассказывает доцент Института ядерной физики и технологий НИЯУ МИФИ Алексей Сучков.

Топливо термоядерных реакторов — это смесь изотопов водорода, дейтерия и трития, последние могут накапливаться в материалах стенки. Кроме накопления радиоактивного трития с точки зрения безопасности, существует и проблема водородного охрупчивания материала, а значит, нужны специфические припои, устойчивые в среде водорода. В результате исследований российских ученых было установлено, что припой TiZr4Be с промежуточным слоем из тантала может быть использован для соединения вольфрама с малоактивируемой ферритно-мартенситной сталью.

Удержание дейтерия в соединениях W-ЭК-181 и отдельных элементах исследовалось с упором на промежуточный слой припоя. Образцы подвергались воздействию газообразного дейтерия (p = 1-10⁴ Па, T = 300-600°C) и плазменного разряда (T = 600°C). Проводился всесторонний анализ состояния образцов после экспозиции, в том числе при использовании синхротронного источника излучения. После плазменного облучения и после газовой выдержки при давлении 1 Па наблюдалась приемлемая концентрация дейтерия, что соответствует условиям эксплуатации будущих термоядерных устройств. Однако при повышенных давлениях захват дейтерия становился слишком большим, что приводило к разрушению припоя и всего паянного соединения.

«Мы сделали первый шаг: создали макет элемента первой стенки термоядерного реактора и дивертора и испытали его в режимах, приближенных к ожидаемым в термоядерных установках, — говорит доцент Института лазерных и плазменных технологий НИЯУ МИФИ Юрий Гаспарян. — Соединение устойчиво при определенных условиях — мы выявили его ограничения по температуре и давлению окружающего газа. Следовательно, надо либо продолжить поиски подходящих материалов, либо гарантировать допустимые условия эксплуатации».