Ученые смоделировали поведение вольфрама в термоядерном реакторе

Специалисты Института ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) разработали технологию оптической диагностики поверхности металла, которая позволяет в реальном времени наблюдать процесс растрескивания вольфрама в результате мощного импульсного нагрева. Метод помогает прогнозировать реакцию этого материала при тепловой нагрузке на первую стенку вакуумной камеры термоядерного реактора ИТЭР. Результаты опубликованы в журнале Physica Scripta. 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 СО РАН 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 сотрудниками ИЯФ СО РАН, позволяет проводить диагностику в реальном времени.

«На нашем экспериментальном стенде BETA (Beam of Electron for material Test Applications) комплекса ГОЛ-3 мы развиваем in situ (лат. – «на месте») оптические диагностики, – рассказывает аспирант НГУ, старший лаборант ИЯФ СО РАН Александр Васильев. – Для создания теплового удара мы используем мощный пучок электронов: он дает относительно мало фонового света, который обычно мешает в таких диагностиках. При этом мы отслеживаем состояние поверхности по структуре её теплового свечения и рассеяния на ней излучения диагностического лазера. Сочетание метода импульсного нагрева и разработанных нами диагностик позволяет в реальном времени отслеживать модификацию поверхности. Нам удалось выяснить, что при равномерном нагреве, на ней могут образовываться горячие области с повышенной деформацией».

трещины после теплового удара 1

Растрескавшаяся и расплавленная поверхность вольфрама после теплового удара

По словам Александра Васильева, 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 одной тысячной секунды, за которую вольфрам успевает нагреться на несколько тысяч градусов, мы наблюдали образование трещин через несколько секунд после воздействия, когда материал уже остыл до комнатной температуры», – отметил ученый.

Множество лабораторий по всему миру занимаются исследованиями воздействия мощных потоков плазмы на материалы. Устойчивость материалов первой стенки вакуумной камеры – это одна 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).