Ученые Института ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН вместе с коллективами других научных организаций испытывают карбид бора в качестве покрытия для стенок токамака Международного экспериментального термоядерного реактора (ИТЭР).

Горение плазмы во время термоядерной реакции происходит при экстремально высоких температурах, и исследователи ищут такое вещество, которое сможет выдержать эти условия и при этом пагубно не повлиять на плазму. Результаты испытаний, проведенных в ИЯФ СО РАН, показали конкурентоспособность покрытий из карбида бора вольфраму и бериллию, которые часто рассматриваются при выборе защитного материала первой стенки и дивертора современных токамаков.

Термоядерный синтез протекает в условиях очень высокой температуры, так как для горения плазмы её нужно разогреть до 10–100 миллионов градусов. В термоядерном реакторе плазма находится в вакуумной камере токамака — специального устройства, которое удерживает плазму с помощью магнитных полей. Таким образом плазма почти не касается стенок камеры, а основное движение частиц горячей плазмы происходит в центре, что позволяет плазме дольше сохранять температуру.

«Идея токамака, которая была предложена в России А. Д. Сахаровым и И. Е. Таммом ещё в начале 1950-х, развивалась и дошла до экспериментального термоядерного реактора. Токамак — это система с замкнутыми силовыми линиями магнитного поля, с магнитным удержанием плазмы, и «удержание» в данном случае — ключевое слово, — объяснил главный научный сотрудник, советник директора ИЯФ СО РАН Александр Бурдаков, — но токамак — это не единственная возможная система. В ИЯФ, как и в некоторых других научных центрах, развиваются также проекты на основе открытых ловушек, где есть магнитное поле, которое упирается в стенки камеры. Открытые ловушки пока отстают от токамаков по удержанию плазмы, но вместе с тем имеют ряд важных преимуществ»‎.

Система на основе токамака будет использована в большом экспериментальном термоядерном реакторе — ИТЭР. Это международный проект, в котором помимо учёных из России принимают участие специалисты из Японии, Китая, Кореи, Индии, США и стран Европы. Основная задача команды ИТЭР — создать реактор, в котором плазма будет поддерживать своё горение сама.

По словам физиков, ИТЭР — важнейший шаг к термоядерным электростанциям. В реакторе сначала нужно получить «зажигание»‎ плазмы, а затем достичь высокого КПД. Эта технология позволит из вложенных 50 МВт получать в 10 раз больше энергии, то есть 500 МВт. Плазма в токамаке находится в тороидальной вакуумной камере. Частицы покрытия стенки в любом случае будут попадать в плазму, но тяжёлые примеси особенно опасны. Такие вещества в плазме приводят к её быстрому остыванию. Найти материал для первой стенки, который отвечал бы всем требованиям, очень сложно.

В качестве материала для первой стенки камеры в ИТЭР используются вольфрам и бериллий. Вольфрам тугоплавкий и хорошо выдерживает высокие температуры, но это тяжёлый материал, и при попадании в плазму он быстро охлаждает её. Бериллий же очень лёгкий‎, и даже при попадании в плазму, он почти не влияет на её качество. Но пыль бериллия токсична для человека и является сильным канцерогеном. Поэтому коллектив ученых ищет альтернативные варианты покрытия стенки токамака. Нужны термостойкие и одновременно лёгкие материалы, обладающие высокой теплопроводностью и электропроводностью, например, специальные виды керамики. Обычно керамика является изолятором, но существуют термостойкие материалы керамического класса, которые обладают достаточной проводимостью.

В исследовании принимают участие также Институт гидродинамики имени М. А. Лаврентьева СО РАН, Институт теоретической и прикладной механики им. С. А. Христиановича СО РАН, Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники. Они наносят покрытие из специального материала толщиной всего в десятки микрон. Испытания проводятся на установке ВЕТА в ИЯФ СО РАН, где материал подвергают «термоядерным»‎ импульсным нагрузкам. ВЕТА (комплекс для испытания материалов) — это уникальная установка, где можно наблюдать за параметрами вещества непосредственно во время эксперимента. При испытаниях на материал воздействуют лазером, имитируя тепловую нагрузку от плазмы. С помощью системы диагностики можно отслеживать, например, температуру, поглощённое тепло и степень эрозии. Вследствие повреждения поверхности также меняется её шероховатость. На комплексе ВЕТА можно проследить, в какой именно момент начинается эрозия с последующей потерей вещества.

Результаты исследования показали, что пороговые значения нагрузок, при которых керамика начинает разрушаться, не уступают вольфраму. Испытания, проведенные в ИЯФ СО РАН, показали конкурентоспособность покрытий из карбида бора вольфраму и бериллию, которые часто рассматриваются при выборе защитного материала первой стенки и дивертора современных токамаков.