• Читателям
  • Авторам
  • Партнерам
  • Студентам
  • Библиотекам
  • Рекламодателям
  • Контакты
  • Язык: English version
455
Теория физиков из ИЯФ СО РАН поможет выбрать материал для модели термоядерного реактора
Физика

Теория физиков из ИЯФ СО РАН поможет выбрать материал для модели термоядерного реактора

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

Один из перспективных и практически неисчерпаемых источников энергии в ближайшем будущем – управляемый термоядерный синтез (УТС), протекающий при температуре в десятки и сотни миллионов градусов. Выбор материала стенок реактора, способного выдержать высокие тепловые, механические и радиационные нагрузки в процессе УТС, – одна из важнейших задач для физиков-ядерщиков. Наиболее перспективным материалом для этих целей является металлический вольфрам и его сплавы. Они будут использоваться при создании внутренней стенки вакуумной камеры в международном термоядерном реакторе ИТЭР*. 

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 Cadarache на юге Франции. 

По материалам сайтов ITER.Org и dic.academic.ru   


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

Трещина на переплавленной поверхности вольфрама после облучения на установке ГОЛ-3. Снимок сделан с помощью сканирующего электронного микроскопа. Фото предоставлено пресс-службой ИЯФ СО РАН

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 физико-математических наук Алексей Сергеевич Аракчеев предложил использовать формулу, которая существенно ускоряет этот процесс (статья опубликована в августе этого года в журнале Journal of Nuclear Materials. Vol. 463, p.246—249). 

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: Д. Д. Рютов, Открытые ловушки, "УФН" 1988, т. 154, с.565

Идея учёного состоит в том, чтобы избавиться от рутинных расчетов переноса тепла между всеми участками камеры, воспользовавшись упрощающими предположениями. Одно из них – малая глубина прогрева за время каждого выброса плазмы на стенку, порядка миллисекунды. «Представьте, – рассказывает А.С. Аракчеев, – что у вас есть метровый стержень. Даже если один конец вы 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 вы грели пятно сантиметрового размера, а вглубь тепло проникло лишь на долю миллиметра, а, то у вас есть так называемый малый параметр, в данном случае это толщина нагретого слоя. Мы этим приближением воспользовались – и в результате получилась простая формула, которая связывает механическое напряжение с температурой. Формула позволяет очень быстро вычислить, будет ли трескаться вольфрам и его сплавы в конкретных заданных условиях». 

Лист вольфрама после многократного облучения плазменным потоком в выходном узле ловушки ГОЛ-3. Фото предоставлено пресс-службой ИЯФ СО РАН

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 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 для определения параметров плазмы. Кроме того, ИЯФ СО РАН занимается разработкой устройств для нейтронной защиты реактора. 

В институте разработаны и собственные подходы к решению проблемы управляемого термоядерного синтеза – на базе открытых ловушек***. Для этого функционируют и модернизируются установки ГОЛ-3 и ГДЛ (газодинамическая ловушка). В 2014 году на установке ГДЛ была достигнута рекордная для систем такого типа электронная температура 10 млн градусов.

Подготовил Сергей Прокопьев

По материалам: пресс-релиза ИЯФ СО РАН 01/10/2015 "Теория физиков ИЯФ СО РАН поможет выбрать материал для модели термоядерного реактора" (А.С. Аракчеев, А.В. Васильев)

Понравилось? Поделись с друзьями!

Подпишись на еженедельную e-mail рассылку!

comments powered by HyperComments