Экстремальный припой для будущего термоядерного реактора ДЕМО

Учёные из Национального ядерного исследовательского университета МИФИ предложили новый способ соединения обращённых к плазме материалов стенки реактора. Результаты работы опубликованы в 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 Россия, построят уже на своей территории — в нём должна будет происходить реакция ещё большей мощности и в практически непрерывном режиме.

В ИТЭР все материалы для строительства реактора уже определены, и первые эксперименты на нём 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 напряжённых, 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, остаётся серьёзная проблема — необходимо создать термостойкое неразъёмное 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 учёных в НИЯУ МИФИ: совместными усилиями кафедр физических проблем материаловедения и физики плазмы удалось разработать припой TiZr4Be для пайки вольфрама со сталью ЭК-181 и определить условия применения таких паяных соединений в водородной среде.

«Так как материалы должны быть ещё и малоактивированные, то ⅔ таблицы Менделеева в таких установках применять нельзя. Нужно разрабатывать припой с определённой температурой плавления и подобрать такой режим пайки, который позволял бы соединить очень разные по своим свойствам, в частности по коэффициенту термического расширения, материалы: 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.

«Мы сделали первый шаг: создали макет элемента первой стенки термоядерного реактора и дивертора, и испытали его в режимах, приближенных к ожидаемым в термоядерных установках, — продолжает Юрий Гаспарян, доцент Института лазерных и плазменных технологий НИЯУ МИФИ. — Соединение устойчиво при определённых условиях — мы выявили его ограничения по температуре и давлению окружающего газа. Следовательно, надо либо продолжить поиски подходящих материалов, либо гарантировать допустимые условия эксплуатации».

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