Стенки токамаков могут быть крепче, чем считалось

Слишком сильное разрушающее воздействие на стенки термоядерного реактора способно парадоксальным образом лучше защищать его от «издержек» термоядерного синтеза.

Работа над реактором ITER, крупнейшим международным проектом по термоядерному синтезу, идёт полным ходом. Попутно иногда выясняется, что перспективы у ИТЭР могут быть хуже ожидавшихся, а теперь, похоже, настало время для новостей противоположного толка.

«Сердце» ITER — камера удержания плазмы, вольфрамовые стенки которой, несмотря на отсутствие прямого контакта с этой самой плазмой, подвергаются серьёзным нагрузкам.

В этой экспериментальной камере по мере сил модулируются условия внутри будущего реактора ITER. (Здесь и ниже иллюстрации CCFE.)

Физики во главе с Грегори Де Теммерманом (Gregory De Temmerman) из Института фундаментальных исследований материи (Нидерланды), изучающие процессы взаимодействия плазмы и стенок таких реакторов, основное внимание уделяют особо мощным выбросам энергии, которые имеют место при слиянии ядер в термоядерном топливе и выносят охлаждающиеся водородные атомы за пределы зоны, где происходит реакция.

Дело в том, что хотя всплески на поверхностности удерживаемой плазмы, представляющие наибольшую угрозу стенкам, дело уже знакомое, их мощь много меньше будущей итэровской, поскольку энергия удержания в современных токамаках совсем другая. Поэтому долгое время обсуждалось мнение о том, что дальнейшее повышение мощности удержания может привести к необходимости часто менять элементы стенок.

Однако моделирование и эксперименты, проведённые европейскими учёными, дают основания ожидать скорее противоположного. Как выяснилось, чем больше энергии в виде водородных атомов направлялось к вольфрамовым стенкам, тем меньшее её количество их достигало.

Более того, камера, фиксировавшая события, которые происходят с образцами вольфрама, регистрировала свет от водородных атомов всякий раз, когда всплеск достигал вольфрама. По мнению физиков, вольфрам, способный вобрать лишь определённое количество атомов водорода, при ударах дополнительных ядер атомов начинал терять те, что уже находились внутри него. Тем самым он избавлялся от разницы по сравнению с поглощённой энергией.

Выбросы из активной зоны термоядерного реактора могут дотянуться до вольфрамовых стенок, но такое воздействие не всегда носит исключительно негативный характер.

При этом такая газовая оболочка не давала «языкам» плазмы добраться до вольфрама в одной компактной группе. Энергия всплеска равномерно распределялась по облачку и приходила к вольфраму в сравнительно мягкой форме общего повышения температуры.

Иными словами, несмотря на то что энергия, направляемая на инициацию и поддержание термоядерного синтеза в ITER, может достигать 50 МВт (то есть мгновенная нагрузка стенок реакторов от всплесков равна гигаватту на квадратный метр), вновь выявленный механизм «естественной самозащиты» вольфрама означает, что стенки реактора вовсе не станут расходным материалом и при повышении нагрузок, напротив, могут увеличить свой ресурс.

Пока неясно, насколько именно результаты этого исследования касаются не стенок, а той части ITER, куда будут поступать всё ещё горячие продукты синтеза после окончания рабочего цикла, однако учёные собираются в ближайшее время проанализировать и это.
Отчёт об исследовании вскоре будет опубликован в журнале Applied Physics Letters.

Подготовлено по материалам Института фундаментальных исследований материи