Концепция «потеющей стенки»: российские учёные разработали новый материал для термоядерного реактора

Российские учёные смогли объединить свойства двух металлов — вольфрама и меди — в одной конструкции методом газофазного осаждения. Это позволит решить одну из серьёзных проблем термоядерного синтеза — защитить стенку термоядерного реактора от воздействия раскалённой до миллионов градусов плазмы, не допустив при этом попадания в неё ненужных примесей. По словам учёных, методика позволяет создавать покрытие из тугоплавкого вольфрама, лишённое пор. Оно наносится на медную подложку, которая позволяет отводить тепло от стенки реактора с участием лёгкого металла лития.

• Термоядерная установка «Глобус-М», сооружённая в Физико-техническом институте им. А.Ф. Иоффе РАН
• РИА Новости
• © Алексей Даничев

Учёные ИФХЭ РАН и НИЯУ МИФИ использовали метод химического газофазного осаждения, чтобы объединить свойства двух металлов — вольфрама и меди — для защиты стенки термоядерного реактора. Изобретение уже получило патент. Об этом RT сообщили в пресс-службе Минобрнауки РФ.

Разработка позволит решить одну из основных задач в области термоядерного синтеза — уберечь стенку термоядерного реактора от воздействия раскалённой до миллионов градусов плазмы, заключённой внутри него.

Хотя плазма удерживается и сжимается при помощи магнитного поля, её потоки всё равно могут соприкасаться со стенкой реактора. Это приводит не только к нагреву стенки, но и к распылению материала, из которого сделана стенка реактора, то есть к расщеплению его на атомы, которые затем попадают в качестве примеси в плазму. В результате процесса распыления плазма существенно охлаждается, что может помешать термоядерному синтезу.

Чтобы избежать этого, ранее была разработана концепция так называемой потеющей стенки: внутренняя поверхность реактора покрывается сетью каналов, из которых истекает жидкий литий.

• Химический элемент — вольфрам
• Legion-Media
• © Sergio Azenha

Литий — лёгкий элемент, поэтому ядра лития меньше охлаждают плазму и даже могут участвовать в термоядерных реакциях. В данном подходе слой жидкого лития берёт на себя часть защитных функций. Поэтому материал для «потеющей стенки» должен быть тугоплавким и теплопроводным, а также не должен вступать с жидким литием в химическое взаимодействие и при этом хорошо им смачиваться.

Самый тугоплавкий металл — вольфрам, однако его теплопроводности для эффективного охлаждения стенки недостаточно. Медь обладает очень высокой теплопроводностью, но её нельзя применять для стенок реактора из-за легкоплавкости — металл просто атомизируется при взаимодействии с плазмой и попадёт внутрь реактора, что ухудшит качество плазмы.

Однако учёные придумали, как объединить свойства обоих металлов в одной конструкции.

«Решение состоит в том, чтобы нанести на медную подложку вольфрамовый слой толщиной 30 мкм. Этот слой будет принимать на себя основную атаку — и плазмы, и химически активного лития», — объяснил RT кандидат химических наук, заведующий лабораторией гетерогенного синтеза тугоплавких соединений ИФХЭ РАН Владимир Душик. 

Созданное таким методом вольфрамовое покрытие не имеет пор, что является важным преимуществом — это исключает риск взаимодействия медной подложки с агрессивной средой.

«При создании тонкого вольфрамового покрытия на медной подложке задействованы все возможности и преимущества метода химического осаждения из газовой фазы, и результат нас очень радует», — подытожил Владимир Душик.

Источник