Команда специалистов Института ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) разработала и запустила экспериментальный стенд, который позволит изучить усталостное разрушение материалов под действием быстрых повторяющихся тепловых нагрузок.

Эти исследования покажут, как поведут себя материалы, предназначенные для изготовления первой стенки термоядерного реактора-токамака, под воздействием огромных температур (более 1000 градусов), мощных импульсных потоков плазмы и излучения. Уникальность установки в том, что на ней можно быстро воспроизвести полный цикл нагрузок, которым будет подвержена стенка за всё ожидаемое время службы реактора. Она позволит набрать до 10 миллионов импульсов нагрева примерно за 2 рабочих недели. На других установках это занимает период около года. Работа выполнена в рамках гранта Российского научного фонда (РНФ).

Одна из важнейших проблем, с которыми сталкиваются физики при создании термоядерного реактора, заключается в подборе материалов первой стенки камеры, которая удерживает горячую плазму и непосредственно контактирует с ней. Потоки частиц и излучения из плазмы с температурой около 100 миллионов градусов создают огромные термические нагрузки на облицовку камеры.

«На сегодняшний день не существует какой-то чёткой теоретической базы, в которой было бы прописано, при каких нагрузках и как происходит разрушение материалов. Есть достаточно работ, где отдельно исследуется влияние, например, тепловой нагрузки, но в условиях термоядерных реакторов материал также подвергается дополнительному воздействию быстрых ионов и нейтронов. При этом стойкость материалов при комбинированном воздействии значительно снижается», — говорит  старший научный сотрудник ИЯФ СО РАН Виктор Куркучеков.

На данный момент самым подходящим материалом первой стенки крупнейшего строящегося токамака ИТЭР (Международный экспериментальный термоядерный реактор) выбран вольфрам — самый тугоплавкий из металлов. В качестве альтернативы физики рассматривают специальную керамику, например, на основе соединений бора. Для того, чтобы смоделировать поведение этих материалов под термоядерными нагрузками, по ним «стреляют» пучком электронов множество раз. Установка, созданная в ИЯФ СО РАН, работает по следующему принципу: электронная пушка генерирует интенсивный частотно-импульсный пучок, затем пучок транспортируется на испытуемую мишень в магнитном поле, которое формируется двумя катушками. Под действием пучка происходит быстрый циклический нагрев поверхности материала мишени.

Пучок электронов хорошо подходит для моделирования нагрузки от тепловых ударов горячей плазмы, которая воздействует на стенку реактора в токамаке при так называемых ЭЛМ-неустойчивостях в пламзе: «Наш метод подходит для всех термоядерных установок, так как нагрузки на первую стенку и дивертор во многом определяются параметрами плазмы и для различных установок будут плюс-минус одинаковыми», — объясняет Виктор Куркучеков.

Идея испытания материалов с помощью пучков частиц возникла давно, подобные исследования на различных установках уже проводились, однако ранее никому не удавалось смоделировать суммарную нагрузку, которая будет оказана на материал стенки за весь период работы реактора.

«До настоящего времени в ИЯФ исследования разрушения вольфрама проводились на установке БЕТА. Она «стреляла» [пучком] раз в 30 секунд, а сделать нужно 10 миллионов импульсов, — комментирует научный сотрудник ИЯФ СО РАН Игорь Кандауров, — новая установка рассчитана на очень большое количество импульсов. Существуют стенды, которые стреляют единично, они набирали десятки и сотни импульсов. Мы хотим достичь 10 миллионов циклов нагрева при работе с частотой повторения импульсов 30 раз в секунду. Это даст возможность провести испытания материала при полном количестве циклов нагрузки сопоставимом с тем, что ожидается в диверторе токамака ИТЭР за весь расчётный срок его службы. Данных об усталостной прочности вольфрама при нагрузках такого характера на сегодняшний день в научной литературе не существует, мы будем первыми».

Отличительная черта новой установки в том, что она работает на большой частоте. При ежедневной работе в течение 8-10 рабочих часов она сможет набрать около 10 миллионов импульсов примерно за одну-две недели, а не за год работы. Как объясняет Игорь Кандауров, использование модулированного пучка позволяет достичь нужной нагрузки на мишень в течение импульса, при том, что средняя мощность пучка остается сравнительно невысокой, а значит, установка получается компактнее, проще и дешевле. В этом её преимущество перед существующими в других лабораториях электронно-лучевыми установками, где мишень сканируется непрерывным пучком.

На данный момент стенд собран и протестирован. «Мы сделали свой первый миллион выстрелов и убедились, что сможем достичь требуемых характеристик. Теперь нужно подготовить диагностический комплекс, чтобы непосредственно наблюдать и изучать модификацию поверхности материалов в процессе облучения. Поэтому самое интересное ещё впереди. В дальнейшем предполагаются испытания вольфрама, который уже принят для ИТЭРа, а также других перспективных материалов», — поясняет Виктор Куркучеков.

Помимо термоядерного материаловедения, то есть практического применения, стенд по изучению усталостного разрушения открывает и новые возможности для исследований в области плазменной и ускорительной физики. Пучок на этой установке кольцевой, из-за чего менее устойчивый. Поэтому специалисты, работающие с источником пучка, разработали новую конструкцию.

«Новшество этого источника — кольцевой катодный узел, откуда вылетают частицы, — рассказывает научный сотрудник ИЯФ СО РАН Данила Никифоров, — если вы возьмёте катод в форме кольца, то столкнётесь с неравномерностью эмиссии, это значит, что поперечное распределение заряда в пучке будет неравномерным, что осложнит расчёт тепловой нагрузки. Поэтому мы придумали специальный внутренний электрод из тантала, которым закрыли внутреннее отверстие кольцевого катода. Экспериментально нами было показано, что при больших температурах катода (около полутора тысяч градусов) этот электрод не разрушается. Это новшество, которое никто ранее не применял».

Благодаря новой конструкции научные сотрудники и студенты смогут исследовать, например, эволюцию неустойчивостей, а также работать с более чистым и стабильным пучком. Виктор Куркучеков сообщил, что в масштабе полутора миллиона импульсов признаков деградации пучка замечено не было.

«Мы боялись, что в выбранной схеме экспериментальной установки эмиссия катода может падать из-за того, что катод будет загрязняться продуктами, которые полетят с мишени после взаимодействия с пучком. Но оказалось, что все меры, принятые нами, позволили этого избежать. Это интересный опыт», — добавляет Данила Никифоров.

От конкретной идеи до реализации прошло рекордно мало времени — работа была сделана всего за год. Это случилось благодаря удачному объединению сил сотрудников разных лабораторий ИЯФ СО РАН, результатом совместной работы которых и стал экспериментальный стенд.

«Изначально мы все занимаемся в ИЯФ разными задачами и относимся к разным направлениям физики, — рассказывает Данила Никифоров, — они занимаются физикой плазмы, а мы ускорителями. Мы пришли к коллегам-плазмистам за помощью по одной из наших задач, которая касалась использования интенсивного электронного пучка. В процессе этого взаимодействия как раз и возникла идея попробовать применить пушку с накаливаемым кольцевым катодом для исследования стойкости материалов для термоядерных программ». 

Возможность проведения исследований на стыке разных направлений — отличительная особенность ИЯФ СО РАН. «Такое товарищество — большой плюс ИЯФ, не в каждой организации есть возможность так быстро объединять опыт и компетенции специалистов из различных областей физики. В этом существенное  достоинство нашего Института», — заключает Игорь Кандауров.

Работа выполнена при поддержке гранта №22-72-00037, предоставленного Российским научным фондом (РНФ).

Источник: ИЯФ СО РАН.