Во многих странах мира сегодня ведутся исследования и эксперименты, призванные поставить термоядерный синтез на службу энергетике и разработать модель промышленного термоядерного реактора. К сожалению, эти планы натыкаются не множество технических и научных проблем. Одна из них – поглощение водорода внутренней стенкой реактора.
В Национальном исследовательском университете «МИФИ» впервые в мире разработана математическая модель, призванная помочь решению этой проблемы.
Сердце термоядерного реактора - камера, в которой горит раскаленная плазма: происходит процесс синтеза атомов гелия из атомов водорода. Магнитные поля не дают горящей плазме соприкасаться с поверхностью камеры, но, к сожалению, полностью исключить взаимодействие плазмы и стенок реактора невозможно.
Мельчайшие «брызги» раскаленной плазмы могут ударяться о стенку, выбивая из нее небольшие осколки и частицы - иногда буквально одиночные атомы (например, атомы вольфрама – поскольку с большой вероятностью именно из вольфрама будет состоять внутренняя стенка международного термоядерного реактора ИТЭР).
Эти отколовшиеся от стенки частицы сначала какое-то время летят по камере реактора, а затем осаждаются обратно на стенку. Проблема, однако даже состоит не в этом, а в том, что отколотые от поверхности частицы, осаждаясь, увлекают с собой атомы рабочего газа плазмы – а это различные изотопы водорода. Этот процесс называют соосаждением - то есть совместное осаждение на поверхность частиц вольфрама и водорода. В результате, на поверхности камеры термоядерной установки растет водородонасыщенная пленка. Именно этот механизм ответственен за большую часть накопления водорода в камере.
Плохо это по трем причинам.
Во-первых, в составе рабочего газа в термоядерном реакторе имеется радиоактивный изотоп водорода - тритий. Его накопление в стенке реактора может создавать угрозы для радиационной безопасности.
Во-вторых, тритий – весьма дорогое сырье, и, если он теряется для рабочего процесса – это негативно влияет на экономику термоядерного реактора.
В-третьих, в моменты плазменных разрядов поверхность будет нагреваться и поглощенный водород будет выделяться обратно - а это уже будет влиять на саму термоядерную реакцию. Любой водород, который будет выделяться из стенки реактора будет по сравнению со плазмой холодным. Измеряемая в электро-вольтах энергия плазмы в реакторе будет примерно в 100 000 раз больше, чем энергия водорода, выделяющегося из стенки. И холодный водород может негативно влиять на горение плазмы.
Важнейший вопрос, которые сегодня решается в рамках проекта международного термоядерного реактора ИТЭР заключается в том, чтобы предсказывать накопление водорода в стенках реактора – а это, в свою очередь, нужно, например, для того, чтобы знать, как часто придется «обеззараживать» стенки от накопленного водорода.
Старший научный сотрудник кафедры физики плазмы Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ» Степан Крат стал автором первой в мире математической модель процесса накопления водорода в поверхности термоядерного реактора.
Один из важных пунктов предлагаемой теории заключается в том, что она исследует поведение разных изотопов водорода в этом процессе. В предполагаемых энергетических термоядерных реакторах (в том числе в ИТЭРе) будет использоваться смесь двух изотопов водорода – дейтерия и трития. Удельный вес двух этих газов разный (тритий тяжелее). Степан Крат со своими коллегами впервые выдвинул гипотезу, что параметры процессов соосаждения дейтерия и трития будут отличаться друг от друга, а ситуация для смеси двух этих газов будет подчиняться третьему набору параметров .
Предложенная теоретическая модель описывает случай для смеси двух и более изотопов водорода и показывает, что механизмы их поглощения стенками реактора подчиняются сложным нелинейным закономерностям, зависящим от множества факторов. Результаты моделирования были опубликованы в Journal of Nuclear Materials(внешняя ссылка). Соавторами публикации кроме Степана Крата стали сотрудники НИЯУ МИФИ Юрий Гаспарян и Александр Пришвицын. Уже после публикации гипотеза Степана Крата была экспериментальна проверена в НИЯУ МИФИ на смеси двух нерадиоактивных изотопов водорода - дейтерия и протия.