Исследователи Национального исследовательского ядерного университета (НИЯУ) МИФИ впервые изучили накопление гелия и дейтерия в перспективных «умных» сплавах W-Cr-Y (вольфрам-хром-иттрий). По их мнению, это поможет подбирать оптимальные сплавы для использования в термоядерных реакторах.
Взаимодействие плазмы с внутренней стенкой термоядерного реактора остается одной из ключевых проблем для получения термоядерной энергии.
«Дело в том, что материал внутренней стенки реактора будет подвергаться воздействию интенсивных потоков частиц изотопов водорода, гелия и нейтронов. Это приведет к изменениям эксплуатационных характеристик материала и уменьшит срок службы реактора», – рассказал кандидат физико-математических наук, младший научный сотрудник кафедры физики плазмы НИЯУ МИФИ Зорий Арутюнян.
По его словам, лучшим материалом для внутренних стенок термоядерного реактора считается вольфрам из-за его высокой температуры плавления и теплопроводности, а также низкого распыления под действием плазмы. Однако одной из потенциальных проблем использования чистого вольфрама в качестве материала внутренней стенки реактора может стать образование летучего оксида вольфрама и его выброс в окружающую среду при аварийных ситуациях.
Ученые разных стран активно разрабатывают новые сплавы на основе вольфрама с улучшенными свойствами. В него добавляют стабильные оксидообразующие легкие элементы, такие как хром, титан, иттрий, кремний. При обычной работе термоядерного реактора плазма распыляет добавленные легкие элементы, оставляя почти чистую поверхность вольфрама. При аварии, когда температура внутренней стенки повышается, добавленные в вольфрам элементы обогащают поверхность и в присутствии кислорода создают собственный оксидный слой на поверхности. Это защищает вольфрам от дальнейшего окисления и сублимации. Благодаря такой концепции работы инновационные сплавы назвали «умными».
Специалисты НИЯУ МИФИ впервые исследовали процессы накопления гелия и дейтерия в «умных» сплавах W-Cr-Y. Результаты этой работы помогут определять пригодность таких сплавов для применения в термоядерных реакторах.
«С помощью термодесорбционной спектроскопии мы изучили, как накапливается дейтерий в сплавах, полученных, соответственно, методами искрового плазменного спекания и горячего изостатического прессования, а также в чистом вольфраме», – отметил Зорий Арутюнян.
Также ученые рассмотрели накопление дейтерия в образцах сплавов при последовательном внедрении ионов гелия и дейтерия. Им удалось обнаружить повышенное накопление дейтерия в сплавах W-Cr-Y по сравнению с чистым вольфрамом. Общая динамика влияния гелия на накопление дейтерия в этих сплавах не сильно отличалась от чистого вольфрама.
«Полученные результаты можно использовать при оценке накопления изотопов водорода, в частности радиоактивного трития, накопление которого в стенках реактора необходимо контролировать из соображений безопасности. Также эти данные можно применять для определения рабочих режимов работы термоядерных установок при использовании «умных» сплавов W-Cr-Y в качестве материала внутренней стенки реактора», – резюмировал ученый.
Результаты исследования опубликованы в научном журнале Journal of Nuclear Materials.
