Российские ученые сделали важный шаг в разработке будущего термоядерного реактора ДЕМО

Ученые из Национального ядерного исследовательского университета МИФИ предложили новый способ соединения обращенных к плазме материалов стенки реактора. Результаты работы опубликованы в высокорейтинговом научном журнале Journal of Nuclear Materials.

Демонстрационный термоядерный реактор (ДЕМО) станет следующим этапом в подготовке к использованию термоядерной энергии в промышленных масштабах. Первый этап – строящийся сейчас близ Марселя (Франция) международный термоядерный экспериментальный реактор ИТЭР (International Thermonuclear Experimental Reactor), он должен продемонстрировать научно-техническую возможность использования термоядерной энергии в мирных целях. Если это удастся, человечество получит практически неисчерпаемый источник энергии. Реакторы следующего поколения ДЕМО некоторые страны участницы, в том числе и Россия, построят уже на своей территории – в нем должна будет происходить реакция еще большей мощности и в практически непрерывном режиме.

В ИТЭР все материалы для строительства реактора уже определены и первые эксперименты на нем должны начаться уже в 2025 году, ДЕМО же существуют пока только в виде теоретических разработок. Для установок типа ДЕМО надо разрабатывать и внедрять сложные элементы и системы, которых нет ни на каких существующих сегодня экспериментальных термоядерных устройствах.

Одна из главных проблем, которую необходимо будет решить – выбор материала для наиболее энергетически напряженных, контактирующих с термоядерной плазмой элементов реактора ДЕМО. Если в ИТЭР основа стенок – это хромоциркониевая бронза с напаянными «плитками» из вольфрама или бериллия, то в ДЕМО, где нагрузки на стенки реактора будут гораздо более мощными, понадобится уже жаропрочная сталь – предполагается, что в отечественной установке это будет либо аустенитная, либо феррито-мартенситная сталь ЭК-181 (по западной классификации Rusfer). Однако, среди прочих, остается серьезная проблема – необходимо создать термостойкое неразъемное соединение стали и вольфрама для элементов первой стенки и дивертора будущего реактора, которые будут находиться под нагрузками выше 2 МВт/м2 и нейтронным облучением.

Для этой цели необходимо было не просто получить новый сплав-припой из малоактивируемых элементов и отработать режимы пайки вольфрама со сталью, но и понять области применения таких паяных соединений в среде изотопов водорода – топлива термоядерных реакторов. Этим занялась группа ученых в НИЯУ МИФИ: совместными усилиями кафедр физических проблем материаловедения и физики плазмы был разработан припой TiZr4Be для пайки вольфрама со сталью ЭК-181 и определены условия применения таких паяных соединений в водородной среде.

«Так как материалы должны быть еще и малоактивированные, то 2/3 таблицы Менделеева в таких установках применять нельзя. Нужно разрабатывать припой с определенной температурой плавления и подобрать такой режим пайки, который позволял бы соединить очень разные по своим свойствам материалы, в частности по коэффициенту термического расширения – вольфрам и сталь. Иначе при быстрых изменениях температуры в соединении могут возникнуть трещины, и обращенные к плазме элементы стенки реактора просто-напросто разрушатся», – рассказывает Алексей Сучков, доцент Института ядерной физики и технологий НИЯУ МИФИ.

Топливо термоядерных реакторов – это смесь изотопов водорода, дейтерия и трития, последние могут накапливаться в материалах стенки. Кроме накопления радиоактивного трития с точки зрения безопасности, существует и проблема водородного охрупчивания материала, а значит, нужны специфические припои, устойчивые в среде водорода. В результате исследований российских ученых было установлено, что припой TiZr4Be с промежуточным слоем из тантала может быть использован для соединения вольфрама с малоактивируемой ферритно-мартенситной сталью.

Удержание дейтерия в соединениях W-ЭК-181 и отдельных элементах исследовалось с упором на промежуточный слой припоя. Образцы подвергались воздействию газообразного дейтерия (p = 1-104 Па, T = 300-600°C) и плазменного разряда (T = 600°C). Проводился всесторонний анализ состояния образцов после экспозиции, в том числе, при использовании синхротронного источника излучения. После плазменного облучения и после газовой выдержки при давлении 1 Па наблюдалась приемлемая концентрация дейтерия, что соответствует условиям эксплуатации будущих термоядерных устройств. Однако при повышенных давлениях захват дейтерия становился слишком большим, что приводило к разрушению припоя и всего паянного соединения.

Работа была проведена на средства грантов Российского научного фонда и Министерства науки и высшего образования.