Группа исследователей лаборатории "Физико-химические процессы в стенках термоядерных установок" (Институт ЛаПлаз НИЯУ МИФИ) впервые исследовали накопление дейтерия в высокотехнологичном сплаве вольфрама, хрома и иттрия. Предполагается, что такие сплавы могут продлить срок службы термоядерного реактора. Результаты исследования опубликованы в высокорейтинговом научном журнале Journal of Nuclear Materials. Работа выполнена в рамках программы "Приоритет-2030".
В последние годы вольфрам, благодаря своим свойствам, успешно применяется в качестве материала обращенных к плазме стенок в крупных исследовательских реакторах, таких как JET (Великобритания), ASDEX Upgrade (Германия), WEST (Франция). Он также был выбран в качестве базового материала для Международного экспериментального термоядерного реактора (ITER, Франция), в строительстве которого участвуют ЕС, Китай, Индия, Россия, США Южная Корея и Япония.
Прогнозируется, что в будущих термоядерных реакторах потоки тепла и частиц на стенку будут выше, чем в существующих исследовательских реакторах. В таких условиях эксплуатации вольфрам будет деградировать и станет непригодным для применения. Поэтому перед учеными из разных стран встала задача найти подходящий материал для применения в термоядерном реакторе.
«Реализация термоядерного синтеза в качестве коммерческого источника энергии требует длительного срока службы будущих реакторов и их компонентов. Наименьшим сроком службы в термоядерном реакторе обладает материал, обращенный к плазме. Его роль — защитить внутреннюю стенку термоядерного реактора и гарантировать низкий уровень примесей в плазме», – пояснил научный сотрудник кафедры физики плазмы НИЯУ МИФИ Зорий Арутюнян.
Микроструктура сплава вольфрама, хрома и иттрияОн отметил, что в термоядерных реакторах обращенный к плазме материал будет подвергаться воздействию высоких потоков частиц плазмы (дейтерий, тритий, гелий) и нейтронного облучения, что ухудшит его характеристики. Это приведет к загрязнению реактора и, как следствие, ограничит работу реактора. Поэтому проектирование и разработка новых материалов – важнейшая задача на пути к практическому использованию термоядерного электричества.
«Улучшение характеристик материала, обращенного к плазме, может снизить накопление радиоактивного трития, стоимость которого на сегодняшний день составляет 30 тысяч долларов за грамм», – рассказал ученый.
Сотрудники НИЯУ МИФИ впервые исследовали поведение дейтерия в инновационном сплаве вольфрама, хрома и иттрия после отжига при повышенных температурах. Исследование проводилось в лаборатории "Физико-химические процессы в стенках термоядерных установок" с применением методов термодесорбционной спектроскопии и спектроскопии рассеяния медленных ионов. Насыщение материала дейтерием было выполнено методом внедрения ионов дейтерия на ионно-пучковой установке. Перед имплантацией ионов дейтерия был выполнен высоковакуумный отжиг образцов материала при температурах, ожидаемых на внутренней стенке термоядерного реактора.
Ученые установили, что удержание дейтерия в перспективных сплавах на основе вольфрама уменьшается после выдержки при высоких температурах. Полученные данные, по их мнению, могут быть полезны при оценке накопления изотопов водорода в случае использования высокотехнологичного сплава WCrY в качестве облицовки внутренней стенки термоядерного реактора.