Исследование материалов для термоядерных реакторов

Намер Л.
(«ХиЖ», 2019, №11)

В институте ядерной физики им. Г.И.Будкера СО РАН создан уникальный экспериментальный стенд BETA (Beam of Electrons for materials Test Applications), на котором можно изучать воздействие экстремальных тепловых нагрузок на конструкционные материалы, планируемые к использованию в Международном экспериментальном термоядерном реакторе ИТЭР. Внутренние элементы дивертора, устройства для вывода примесей из плазмы, часто и резко нагреваются, то есть испытывают термические удары, поэтому важно изучить стойкость их поверхности. Влияют термические удары и на объем, и на поверхность, но то, что отваливается и испаряется с поверхности, попадает в плазму и может радикально повлиять на ее свойства.

Установка BETA хороша тем, что позволяет изучать быстрый нагрев поверхности в реальном времени — непосредственно во время самого воздействия и сразу же после него. Сердце установки BETA — оригинальный источник мощного электронного пучка с дуговым плазменным эмиттером. Его импульсы длительностью 100–300 мкс способны воспроизводить на площади 1 см2 вольфрамовой мишени тепловой удар с плотностью мощности до 15 ГВт/м2 (в 200 раз больше, чем мощность на поверхности Солнца). На ту же мишень направляется луч лазера, и наблюдается отраженный свет, причем прямой луч затенен, а наблюдается только окружающее его диффузное гало — результат рассеяния излучения лазера от неровностей и дефектов поверхности.

Сначала исследователи изучили воздействие импульсов, которые нагревают вольфрам. В Токамаке поток мощности на дивертор составит в среднем 10 МВт/м2, а в импульсе — вдвое больше, поэтому его наружный слой выполнен из вольфрама. Оказалось, что из-за воздействия электронного импульса коэффициент рассеивания света увеличивался дважды. Первый раз — одновременно с электронным импульсом, когда резкий рост температуры заставлял поверхность вспучиваться. Размеры «вспучиваний» были такими же, как размеры зерен в структуре вольфрама. Однако из-за охлаждения и обратной упругой деформации неровности поверхности в значительной степени сглаживались, и коэффициент рассеяния снова уменьшался. Вольфрам вздрагивал, но вроде бы приходил в себя. Неожиданным оказалось то, что спустя секунду после импульса коэффициент рассеяния света снова резко возрастал и далее оставался постоянным. Это повторное повышение исследователи объясняют тем, что на поверхности появляются необратимые растрескивания. Но вот почему это происходит не сразу, а с задержкой около секунды — пока непонятно.

Затем пришел черед экспериментов с более мощными импульсами, нагревающими вольфрам значительно выше температуры плавления. Здесь исследователи наблюдали интенсивный поток микрокапель вольфрама с размерами 2–7 мкм с поверхности мишени. В русских народных сказках это называлось «пойдут клочки по закоулочкам». С помощью нескольких камер регистрировали пространственные траектории вылетающих микрокапель. Они появляются потому, что материал быстро прогревается вглубь и одновременно остывает за счет испарения с поверхности. В результате температура под поверхностью становится выше, чем на ней, и жидкий металл вскипает, происходит «подповерхностное кипение». В таком режиме в Токамаке вольфрам работать не должен, но понимать, что с ним произойдет, если случится непредвиденное, нужно.

Эксперименты на стенде BETA проводит объединенный коллектив сотрудников и аспирантов Института ядерной физики им. Г.И.Будкера СО РАН, Новосибирского государственного университета и Новосибирского государственного технического университета при поддержке Российского научного фонда (проект № 17-79-20203) (УФН, 2018, т. 188, с. 574).

123

Разные разности

30.03.2021 18:00:00

…в ЦЕРНе создали новый сверхчувствительный инструмент для поиска аксионов — гипотетических элементарных частиц, образующих темную материю…

…созданы контактные линзы с золотыми наночастицами для коррекции формы дальтонизма, при которой человек не различает зеленый и красный цвета…

…древнейший духовой инструмент из раковины, сделанный в палеолите, 17 000 лет назад, издает три ноты — до, ре и до-диез…

>>
23.03.2021 18:00:00

Ученые из США и Аргентины исследовали влияние фаз Луны на сон человека.

>>
17.03.2021 18:00:00

Почему подгорает пища? Оказывается, несмотря на тысячелетия работы, человечество до недавнего времени не знало ответа на этот простой вопрос. Ясность внес творческий коллектив исследователей из Чешской академии наук.

>>
01.03.2021 16:00:00

…в Намибии впервые обнаружены два карликовых жирафа ростом 2,8 и 2,6 м

…семнадцать землетрясений с магнитудой M ≥ 6,5 в 1994–2017 гг. произошли в течение двух суток после 50 сильнейших магнитных бурь

…создан хирургический микробот в корпусе размером 6×16 мм, который управляет оптоволоконным лазером и может быть интегрирован в существующие эндоскопические инструменты…

>>
23.02.2021 16:00:00

Кобчик — маленький сокол, который прилетает к нам из Африки в мае. Однако его поголовье падает, и поэтому Союз охраны птиц России объявил его птицей 2021 года, года Кобчика.

>>