В Институте ядерной физики им. Г.И.Будкера СО РАН предложена теоретическая модель, которая прогнозирует поведение материала при тепловой нагрузке от соприкосновения с плазмой в прототипах термоядерного реактора. Это решение позволит предвидеть разрушение материала и, возможно, избежать его.

Одной из проблем управляемого термоядерного синтеза является выбор материала, способного выдержать высокие тепловые, механические и радиационные нагрузки. Наиболее перспективным для этих целей является вольфрам и его сплавы. Он будет использоваться при создании внутренней стенки вакуумной камеры в международном термоядерном реакторе ИТЭР на основе токамака.

Предполагается, что температура плазмы в ИТЭР будет составлять 150 миллионов градусов. Граница горячей плазмы в реакторе колеблется и несколько раз в секунду выплескивает мощные порции тепла на стенку камеры, причем не равномерно, а на очень маленькую площадь. Поверхность материала в этом месте за короткое время нагревается на сотни или тысячи градусов, деформируется и вызывает напряжение в материале стенки. В результате многократного повторения экстремальных тепловых нагрузок материал стенки может треснуть.

Ранее поведение материала просчитывалось на мощных компьютерах. Один расчёт мог занимать несколько дней. Старший научный сотрудник Института ядерной физики им. Г.И.Будкера СО РАН, кандидат физическо-математических наук Алексей Сергеевич Аракчеев предложил использовать формулу, которая существенно ускоряет этот процесс (статья опубликована в августе 2015 года в журнале JOURNALOFNUCLEARMATERIALS  Vol.463  p.246-249).

«Наша идея состоит в том, чтобы вместо рутинных трёхмерных расчетов на компьютерах воспользоваться упрощающими предположениями, – рассказывает учёный. – Одно из них – малая глубина прогрева за одну миллисекунду, которую длится импульс выброса плазмы на стенку. Представьте, что у вас есть метровый стержень, если вы один конец поместите в костер, то за другой сможете держаться рукой достаточно долго, потому что тепло проникает внутрь медленно, за миллисекунду – не более чем на несколько миллиметров. Если оно проникло на долю миллиметра, а вы грели пятно размером сантиметр, то у вас есть малый параметр, толщина этого нагретого слоя. Мы им воспользовались и решили задачу в этом приближении. Получилась очень простая формула, которая связывает напряжение с величиной нагрева. Она позволяет вычислить, будет ли трескаться вольфрам и его сплавы при конкретных параметрах».

Теоретическая модель А. Аракчеева прошла экспериментальную проверку в Германии на установках JUDITH и PSI-2, а также в ИЯФ СО РАН на открытой магнитной ловушке ГОЛ-3. Результаты немецких и новосибирских исследований по облучению вольфрама плазменным потоком подтвердили перспективность предложенного теоретического подхода.

Работы в этом направлении продолжаются. Сейчас ученые сосредоточены на разработке более совершенных методов изучения состояния материалов под тепловой нагрузкой. «К нашей работе, – поясняет А. Аракчеев, – подключились сотрудники лабораторий ИЯФ, работающие с синхротронным излучением на ускорителях института. С их помощью мы надеемся получить данные о деформации материала по рассеянию рентгеновского излучения прямо во время облучения».

Помимо исследования стойкости материалов, ИЯФ СО РАН участвует в создании оборудования для установки ИТЭР. Сотрудники института разрабатывают диагностические системы, которые будут использованы на установке, и позволят определять различные параметры плазмы. Кроме того, ИЯФ СО РАН занимается разработкой портплагов для ИТЭР. Это устройства размером с железнодорожный вагон для нейтронной защиты и размещения диагностик.

В институте разработаны и собственные подходы к решению проблемы управляемого термоядерного синтеза – на базе открытых ловушек. Для этого функционируют и модернизируются установки ГОЛ-3, ГДЛ, разрабатывается проект многопробочной газодинамической ловушки ГДМЛ. В 2014 году на установке ГДЛ была достигнута рекордная для систем такого типа электронная температура 10 миллионов градусов.

Краткая справка об ИТЭР

ИТЭР (ITER) — проект международного экспериментального термоядерного реактора на основе токамака. Задача ИТЭР заключается в демонстрации возможности коммерческого использования термоядерного реактора и решении физических и технологических проблем, которые могут встретиться на этом пути. Сейчас ведется проектирование отдельных систем реактора ИТЭР и начато строительство здания для реактора в исследовательском центре Кадараш (фр. Cadarache) на юге Франции, в 60 км от Марселя. По материалам сайтов iter.ogr  и dic.academic.ru.

Краткая справка о типах моделей термоядерного реактора

Токамак (сокращение от «тороидальная камера магнитная»), замкнутая магнитная ловушка, имеющая форму тора и предназначенная для создания и удержания высокотемпературной плазмы. Токамак разработан и создан для решения проблемы управляемого термоядерного синтеза и создания термоядерного реактора.

Открытые ловушки – разновидность магнитных ловушек для удержания термоядерной плазмы в определённом объёме пространства, ограниченном в направлении вдоль магнитного поля. В отличие от замкнутых ловушек (токамаков, стеллараторов), имеющих форму тороида, для открытых ловушек характерна линейная геометрия, причём силовые линии магнитного поля пересекают торцевые поверхности плазмы. Открытые ловушки имеют ряд потенциальных преимуществ по сравнению с замкнутыми. Они проще в инженерном отношении, в них более эффективно используется энергия удерживающего плазму магнитного поля, легче решается проблема удаления из плазмы тяжёлых примесей и продуктов термоядерной реакции, многие разновидности открытых ловушек могут работать в стационарном режиме. Однако возможность реализации этих преимуществ в термоядерном реакторе на основе открытых ловушек требует экспериментальных доказательств. По материалам Рютов Д. Д., Открытые ловушки, "УФН" 1988, т. 154, с.565.