Проблема разрушения материалов первой стенки вакуумной камеры — одна из ключевых для термоядерных реакторов, основанных на магнитном удержании плазмы. Предполагается, что наиболее походящим материалом для создания такой стенки является вольфрам. Однако для того, чтобы использовать его в экспериментальном термоядерном реакторе ИТЭР, необходимо понимать, какие процессы происходят с этим материалом при экстремальных нагрузках. Ученые Института ядерной физики им. Г И. Будкера СО РАН нашли новый способ определения опасных внутренних механических напряжений, возникающих вследствие пластических деформаций поверхности металла от тепловых нагрузок. Уникальность метода в том, что он позволяет в реальном времени наблюдать за деформацией металла. 

Плазма в термоядерной установке всегда взаимодействует со стенкой вакуумной камеры. Ограниченное проникновение плазмы сквозь магнитное поле естественно, а также необходимо для вывода из нее примесей, гелиевой «золы» и части полученной в реакторе энергии. Кроме того, реактор предположительно будет работать в режиме, при котором неизбежны неконтролируемые выбросы плазмы. Сейчас наиболее подходящим материалом для первой стенки вакуумной камеры термоядерного реактора считается вольфрам — металл, устойчивый к термическим и радиационным нагрузкам. Но под воздействием плазмы он деформируется и подвергается эрозии.

«Эрозия поверхности вольфрама опасна тем, что может повлиять как на удерживаемую в токамаке плазму, так и создать угрозу радиоактивного заражения прилегающей к реактору территории. — комментирует выпускник магистратуры Новосибирского государственного университета Дмитрий Черепанов. — В результате попадания микрочастиц вольфрама в плазму ее температура будет снижаться, что негативно повлияет на работу реактора. Опасность деформации пластины вольфрама состоит в том, что она является причиной растрескивания поверхности металла. Этот процесс, в свою очередь, снижает устойчивость вольфрама к последующим возможным тепловым ударам, что может привести к ухудшению удержания плазмы в токамаке».

Ученые ИЯФ СО РАН провели эксперимент на стенде BETA, входящем в состав уникальной научной установки «Комплекс ДОЛ». В эксперименте частично воссозданы те условия, которые будут в экспериментальном термоядерном реакторе ИТЭР. 

«Никто в мире пока не умеет воспроизводить полные условия, которые будут в ИТЭР, — пояснил главный научный сотрудник ИЯФ СО РАН доктор физико-математических наук Леонид Николаевич Вячеславов. — Мы воспроизвели условия по интенсивности нагрева и, главное, мы единственные в мире, кто может наблюдать, что происходит с поверхностью вольфрама непосредственно во время эксперимента. Особенностью нашего стенда является возможность исследовать поведение материала непосредственно во время нагрева и сразу после него. Это позволяет детально увидеть процесс разрушения материала, что делает эксперимент гораздо более информативным и ускоряет его проведение. При не слишком мощных нагрузках разрушение материала начинается незаметно с небольших, почти неразличимых снаружи пластических деформаций поверхности, приводящих к опасным внутренним механическим напряжениям. Важность полученного нами результата в том, что был найден новый простой способ определения этих напряжений, не вынимая образец из испытательной камеры. В материаловедении неразрушающих способов определения внутренних напряжений в непрозрачных материалах мало, и они достаточно сложны».

Дмитрий Черепанов отметил, что для экспериментов используются небольшие пластины из катанного вольфрама и вольфрама, который изготавливается для центральной части дивертора (специального устройства, которое принимает основной поток плазмы). «Эти пластины загружаются в вакуумную камеру установки, — пояснил он, — а затем облучаются электронным пучком миллисекундной длительностью и с заранее заданной энергией. Обратная сторона этих пластин всегда отполирована до зеркального блеска. Величина изгиба определяется по изменению размера поперечного сечения лазерного пучка, отраженного от этой поверхности. На установке реализован набор диагностических систем, позволяющих наблюдать за эрозией и температурой облучаемой поверхности, а также за изгибом образцов с использованием разработанной системы».

По словам Дмитрия Черепанова, проведенные эксперименты показали, что накопительного эффекта, как такового, нет. В одном из экспериментов было произведено чуть более двухсот импульсов нагрева одной той же интенсивности, и остаточный изгиб пластины вышел на постоянную величину достаточно быстро (порядка 2—3 тепловых импульсов). Интересно ещё исследовать связь усталостных эффектов и остаточных напряжений при числе импульсов нагрева в миллион и больше. Но для этого понадобится существенно изменить наш источник электронного пучка.

Разработанная в ИЯФ СО РАН методика перспективна не только в области управляемого термоядерного синтеза. «Безотносительно проблемы первой стенки ИТЭР, способ диагностики деформаций вольфрама может оказаться удобным для задач, которые требуют определения подобных напряжений материала. Например, для испытания многих новых материалов и изделий, при изготовлении или эксплуатации которых их поверхность подвергается быстрому нагреву (термическому удару). В свете подобных задач наша простая в реализации методика кажется достаточно интересной находкой», — рассказал Леонид Вячеславов.

Исследование будет продолжено с целью уточнения связи формы пластических деформаций передней, принимающей тепловую нагрузку, поверхности с величиной изгиба пластины и с интенсивностью внутренних напряжений.

Работа поддержана грантом РНФ 19-19-00272.

Пресс-служба ИЯФ СО РАН

Фото - Елена Бионышева

Источники

Найден простой способ диагностики разрушения вольфрама от быстрого теплового воздействия
Наука в Сибири (sbras.info), 14/08/2020
Новосибирские физики выяснили, что может случиться с вольфрамовыми стенками работающего термоядерного реактора
Интерфакс (interfax-russia.ru), 14/08/2020
Новосибирские физики выяснили, что может случиться с вольфрамовыми стенками работающего термоядерного реактора
Seldon.News (news.myseldon.com), 14/08/2020
Найден простой способ диагностики разрушения вольфрама от быстрого теплового воздействия
Российское атомное сообщество (atomic-energy.ru), 14/08/2020
Найден простой способ диагностики разрушения вольфрама от быстрого теплового воздействия
Сибирское отделение Российской академии наук (sbras.ru), 14/08/2020
В ИЯФ СО РАН изобретен способ диагностики разрушения вольфрама от быстрого теплового воздействия в термоядерном реакторе
Российское атомное сообщество (atomic-energy.ru), 14/08/2020
В Новосибирске ученые-физики нашли способ диагностики эрозии вольфрама в ИТЭР
РИА Сибирь (ria-sibir.ru), 14/08/2020
Новосибирские физики выяснили, что может случиться с вольфрамовыми стенками работающего термоядерного реактора
Российское атомное сообщество (atomic-energy.ru), 17/08/2020
Найден простой способ диагностики разрушения вольфрама от быстрого теплового воздействия
Инновации Росатома (innov-rosatom.ru), 18/08/2020
В ИЯФ СО РАН нашли простой способ диагностики разрушения вольфрама от быстрого теплового воздействия
Научная Россия (scientificrussia.ru), 19/08/2020
Найден простой способ диагностики разрушения вольфрама от быстрого теплового воздействия
Nanonewsnet.ru, 22/08/2020

Похожие новости

  • 16/04/2019

    Как синхротронное излучение помогает науке

    ​Половина Нобелевских премий в молекулярной биологии за последние 20 лет отдана синхротронному излучению (СИ). Ученый Анатолий Снигирев рассказал, как получают рентгеновские лучи необходимых параметров и в чем преимущество проектов источников СИ четвертого поколения, реализуемых в России.
    1017
  • 09/07/2020

    Физики изучают возможность генерации «закрученных» поверхностных плазмон-поляритонов на Новосибирском лазере на свободных электронах

    ​​Специалисты Института ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) и Новосибирского государственного университета (НГУ) совместно с коллегами из Самарского национального исследовательского университета имени академика С.
    1424
  • 14/04/2017

    На коллайдер SuperKEKb в Японии установили детектор Belle II с российским оборудованием

    В ускорительном центре КЕК (Цукуба, Япония) завершена установка детектора Belle II в место встречи пучков коллайдера SuperKEKB, сообщает пресс-служба КЕК. Общий вес детектора превышает 1400 тонн. Одна из его ключевых систем – 40-тонный электромагнитный калориметр на основе кристаллов йодистого цезия – был создан и разработан при определяющем участии Института ядерной физики им.
    1832
  • 27/03/2019

    Эксперимент в ЦЕРН подтвердил существование редких многокварковых состояний

    Коллаборация LHCb (CERN, Европейская организация по ядерным исследованиям), в которую входят Институт ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) и Новосибирский государственный университет (НГУ), 26 марта на конференции Moriond QCD объявила об обнаружении в распадах Λb-бариона трех пентакварков – «экзотических» структур, состоящих из пяти кварков.
    833
  • 19/07/2019

    В ИЯФ СО РАН создают установку для щадящего избавления пациентов от рака

    Иногда путь перспективных, казалось бы, технологий в повседневную реальность тернист. Достаточно вспомнить управляемый термоядерный синтез. Особенно обидно, когда речь идет о спасении человеческих жизней, а методика лечения многие десятилетия остается экспериментальной.
    771
  • 04/06/2020

    Эксперимент геологов и физиков внес вклад в понимание природы железных метеоритов

    Научная группа Института физики высоких давлений им. Л. Ф. Верещагина РАН (ИФВД РАН), Института геологии и минералогии им. В. С. Соболева СО РАН (ИГМ СО РАН), Новосибирского государственного университета (НГУ) совместно со специалистами Института ядерной физики им.
    475
  • 15/08/2019

    Эксперимент Belle II пройдет с участием ученых Академгородка

    ​Эксперимент Belle II — это один из экспериментов в физике высоких энергий, работающий на передовых рубежах современной науки. Данные, полученные в результате эксперимента, позволят проверить предсказания Стандартной модели для вероятностей редких распадах B- и D-мезонов и t-лептона, улучшить точность измерения параметров нарушения симметрии между веществом и антивеществом и, возможно, обнаружить проявления новой физики.
    1033
  • 28/02/2019

    В ЦЕРН обнаружили новую частицу, которая уточнит кварковую модель

    ​Коллаборация LHCb (CERN, Европейская организация по ядерным исследованиям), в которую входят Институт ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) и Новосибирский государственный университет (НГУ), объявила об открытии нового состояния c-кварка и анти c-кварка – частицы ψ3(1D).
    1389
  • 09/04/2019

    Сибирские ученые оптимизируют работу электронных дисплеев органическими полупроводниками

    ​Ученые Новосибирского государственного университета (НГУ) займутся исследованием свойств органических полупроводников (материалов, используемых в электронике), чтобы повысить эффективность используемых сейчас электронных дисплеев, сообщил ТАСС руководитель лаборатории органической оптоэлектроники НГУ Евгений Мостович.
    1656
  • 25/05/2017

    Большой адронный коллайдер возобновил сбор данных

    На Большом адронном коллайдере (БАК) закончились технические работы и модернизация — он возобновил сбор данных, в трех экспериментах на коллайдере участвуют исследователи НГУ и ИЯФ СО РАН. Планируемая остановка на технические работы на БАК случается в начале каждого года.
    2447