Вольфрам испытали на готовность к термоядерным реакторам
В Институте ядерной физики Сибирского отделения РАН разработана методика оптической диагностики металлической поверхности, позволяющая изучать растрескивание вольфрама при мощном нагреве в реальном времени. Выяснилось, что его динамика заметно отличается от предсказанной теоретически. Соответствующая статья опубликована в Physica Scripta.
Множество лабораторий по всему миру изучают действие мощных потоков плазмы на материалы. В этом есть большой практический смысл — устойчивость материалов первой стенки вакуумной камеры является ключевой проблемой при создании термоядерных реакторов. Слияние ядер идет тем интенсивнее, чем выше температура, поэтому ожидается, что в грандиозном строящемся по инициативе российских атомщиков токамаке ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) температура плазмы достигнет 150 миллионов градусов по Цельсию.
В теории она будет удерживаться магнитным полем, но на практике в экспериментальном реакторе неизбежны неконтролируемые выбросы плазмы — пусть и кратковременные, но интенсивные. Поэтому наиболее подходящим материалом для термоядерного реактора считается вольфрам — металл, устойчивый к нагреву и радиационным нагрузкам. Во время импульсного нагрева вольфрам, как и любой другой материал, сильно расширяется, а затем — при охлаждении — сжимается и трескается.
Чтобы спрогнозировать поведение вольфрама при таких запредельных нагрузках, ученые воспользовались экспериментальным стендом BETA (Beam of Electron for material Test Applications). До сих пор в реальном времени изучать действие мощных нагревающих импульсов не удавалось — они дают паразитное свечение в точке попадания в вольфрам, из-за чего засвечивается все изображение. Поэтому в новой работе физики использовали мощный пучок электронов. При попадании в материал он дает относительно мало фонового света, который мешает в оптической диагностике. А чтобы точнее понять, что происходит при тепловом ударе, дополнительно применялся диагностической лазер. В итоге исследователям удалось достичь параметров нагрева, сходных с предполагаемыми импульсами плазмы в реакторе ITER (продолжительность — до 300 микросекунд, мощность — до десяти гигаватт на квадратный метр).
Выяснилось, что процесс растрескивания проходит намного сложнее, чем предполагалось ранее. Трещины на вольфраме, вопреки ожиданиям, могут появляться не во время самого теплового воздействия, а с неожиданно большой задержкой после него. Сам тепловой удар длился меньше миллисекунды, но поверхность вольфрама трескалась не во время импульса, а через несколько секунд после него — когда металл уже остывал до комнатной температуры. Новые данные позволят значительно точнее спрогнозировать поведение этого материала в термоядерном реакторе.