Стенка преткновения: технологические споры вокруг ИТЭР

Специалисты Научно-исследовательского института электрофизической аппаратуры (НИИЭФА) заявили, что готовы к серийному производству панелей первой стенки вакуумной камеры термоядерного экспериментального реактора ИТЭР. Между тем в научном сообществе не утихает спор, из чего же делать стенку, которой предстоит контактировать с плазмой, разогретой до 300 млн °C.

К панелям первой стенки, которая должна защищать вакуумную камеру самого большого в мире токамака, у конструкторов множество требований: высокие механическая прочность, вакуумная плотность, теплопроводность и электропроводность, жаропрочность и стойкость к термоциклическим нагрузкам, радиационная стойкость и др. НИИЭФА при участии Научно-исследовательского и конструкторского института энерготехники (НИКИЭТ) разработал многослойные панели сложной структуры.

«Для получения необходимых свойств материалов и их соединений используется несколько термических операций: диффузионная сварка горячим изостатическим прессованием, атмосферный и вакуумный отжиг при разных температуре и скорости охлаждения, старение, быстрая индукционная пайка», — ​рассказывает начальник научно-исследовательского отделения «Энергонапряженные многослойные компоненты» НИИЭФА Павел ­Пискарев.

Семь раз отмерь

Многослойные элементы прототипа, облицованные бериллием, перед установкой на несущую конструкцию панели прошли термоциклические испытания при воздействии поверхностной тепловой нагрузки 4,7 МВт/м², а также гидравлические и вакуумные испытания на герметичность, сообщили в НИИЭФА. Затем проверяли готовый прототип. Гидравлические испытания включали статические (давлением воды 7 МПа с выдержкой 30 мин.) и динамические (пролив с контролем падения давления на выходе и скорости потока в отдельных параллельных каналах охлаждения). Вакуумные испытания заключались в многократном нагружении каналов охлаждения прототипа давлением гелия до 4 МПа при комнатной и повышенной (250 °C) температуре с контролем герметичности изделия.

В рамках соглашения между Проектным центром ИТЭР (входит в «Росатом») и Международной организацией ИТЭР институт должен поставить 179 панелей первой стенки. «Следующий шаг — ​получение разрешения на начало серийного производства, это потребует подготовки и утверждения большого объема документов», — подчеркнул замгендиректора НИИЭФА по термоядерным и магнитным технологиям Рустам Еникеев.

Вольфрам против бериллия

Но на пути к серийному производству не только кипы документов. В прошлом году в руководстве Международной организации ИТЭР заговорили о том, что бериллий для первой стенки реактора не годится: слишком токсичный и не держит аварийные нагрузки. Заменить можно вольфрамом, хотя и он не идеален: ионизируется в плазме до высоких зарядностей и охлаждает ее — ​придется тратить больше энергии на нагрев. Российские специалисты предложили наносить на вольфрамовые элементы покрытие на основе карбида бора, чтобы экранировать плазму от вольфрамовых примесей. На 33‑м заседании Совета ИТЭР (руководящий орган проекта) в ноябре 2023 года было решено дополнительно исследовать материалы-претенденты.

«Консолидированная позиция российских физиков такова: первая стенка должна гарантировать невозможность поступления высокозарядных ионов в плазму, — ​комментирует Анатолий Красильников, директор Проектного центра ИТЭР. — ​Как только в Международной организации ИТЭР заговорили о возможности замены материала, в России начались интенсивные исследования по нанесению покрытий из карбида бора на вольфрам. Осенью мы провели специальную дистанционную презентацию для гендиректора ИТЭР, доложили о результатах экспериментов. В итоге принято решение провести широкую программу НИОКР».

В НИИЭФА сейчас анализируют, подойдут ли их новые технологии для вольфрама. «Результаты первых экспериментальных работ по использованию вольфрамовой облицовки и технологий производства первой стенки выглядят обнадеживающе, — ​отметил Павел Пискарев. — ​НИИЭФА обладает опытом и компетенциями для работы как с бериллием, так и с вольфрамом. Вольфрамовая облицовка используется в диверторе ИТЭР, для которого НИИЭФА производит центральную сборку».

Щит для плазмы

Российские ученые рассчитали, что для защиты плазмы от вольфрамовых примесей достаточно будет совсем тонкого слоя карбида бора — ​30–50 мк. Сейчас они отрабатывают три технологии нанесения. Также начались исследования альтернативного материала — ​TiB2AlN. В этом году ученые планируют испытать оба варианта на токамаке EAST в Китае и на KSTAR в Корее — ​они больше всего похожи на ИТЭР.

«Международное научное сообщество готово предоставить свою экспериментальную базу, — ​говорит Анатолий Красильников. — ​Результаты нужны как можно скорее. В июне и в ноябре пройдут заседания Совета ИТЭР, на одном из них будет принято решение о материале первой стенки».

РОССИЙСКИЙ ВКЛАД В ИТЭР

В прошлом году, как обычно, российские организации выполнили все обязательства по поставке оборудования для ИТЭР. Основное достижение — ​во Францию на площадку сооружения реактора доставлена магнитная катушка полоидального поля PF‑1. Сейчас ее готовят к холодным (при температуре жидкого гелия) испытаниям.

Продолжалось изготовление шинопроводов и коммутирующей аппаратуры. Из Петербурга во Францию отправились десятки машин с этим оборудованием, монтаж идет прямо с колес.

Изготовлены все восемь российских гиротронов для ИТЭР, в прошлом году отгружен первый комплект периферийного оборудования для их монтажа и наладки.

Россия разрабатывает 12 диагностических методик для ИТЭР. Например, Институт ядерной физики им. Будкера Сибирского отделения РАН отвечает за две ключевые диагностики и системы, которые будут давать информацию о горящей плазме: диверторный монитор нейтронного потока и нейтронный томограф. Оба сконструированы, идет изготовление. Также в институте готовы к производству портплагов — ​боксов с измерительной аппаратурой для исследования свойств плазмы.