Новосибирский институт ядерной физики им. Будкера (ИЯФ СО РАН) наряду с другими научными организациями представляет Россию в международном проекте по строительству крупнейшего термоядерного реактора. Как подчеркивает РАН, по масштабам этот проект сопоставим с Международной космической станцией и Большим адронным коллайдером.
Недавно ученые сообщили, что разработали керамический материал, который позволит защитить оборудование дорогостоящей установки от проходящих в ней горячих реакций.
Что за установка
Сверхсовременный реактор строят во Франции и называют ИТЭР (International Thermonuclear Experimental Reactor – международный экспериментальный термоядерный реактор). Его задача – изучить, насколько рентабельной и безопасной будет термоядерная энергетика. В СССР этот вопрос начали исследовать в начале 1950-х. К проектам управляемого термоядерного синтеза в разное время имели отношение Олег Лаврентьев, Андрей Сахаров и Игорь Курчатов.
Однако задача оказалась непростой: первый рабочий проект установки термоядерного синтеза удалось разработать лишь в начале 21 века – и при участии восьми государств, включая Россию, Индию, Китай, Южную Корею, Евросоюз (как одно государство), Казахстан, Японию и США.
Считается, что термоядерная установка будет использовать гораздо меньше топлива, чем существующие сегодня «обычные» ядерные реакторы. Для производства энергии она использует не реакцию деления атомов (при которой тяжелые ядра топлива превращаются в более легкие), а прямо противоположную реакцию синтеза – она делает легкие ядра более тяжелыми. При этом установка выделяет много тепловой энергии, которая и становится конечным продуктом реакции — ее можно превратить в электричество. Теоретики полагают, что термоядерный реактор будет более чистым и безопасным, нежели обычный. Но на всякий случай, в проекте ИТЭР предусмотрели ряд защитных механизмов, чтобы не допустить утечек радиации.
Ранее в мире провели около 300 экспериментов по строительству термоядерных реакторов, но лишь один из них вывел реакцию деления на безубыточный уровень и даже показал небольшую «прибыль»: он сумел выработать на четверть больше энергии, чем затратил. Однако от термоядерных реакторов ожидают гораздо более внушительных показателей, поэтому предыдущие эксперименты сложно считать полностью успешными.
Строить ИТЭР начали в 2007 году. Дату пуска реактора в эксплуатацию переносили уже трижды. Первоначально запуск назначили на 2016 год, в сегодняшних планах – сдать реактор в 2025 году. Актуальная на сегодня стоимость проекта – 19 млрд евро.
Что придумали в ИЯФе
ИТЭР спроектирован так, чтобы проводить термоядерную реакцию при помощи магнитной ловушки. Топливом станут дейтерий и тритий (тяжелая и сверхтяжелая формы водорода), раскаленные до состояния плазмы – крайне горячего ионизированного газа. Контакт с плазмой для материалов установки смертелен, поэтому потоки раскаленного топлива нужно удерживать в магнитной ловушке, чтобы они ни с чем не соприкасались. Эта ловушка и есть один из главных компонентов реактора, «токамак».
Реактор будет состоять из более чем миллиона элементов, среди них – изготавливаемые в ИЯФе 45-тонные пробки для защиты оборудования и людей от нейтронного излучения. Эти пробки называют порт-плагами. В состав порт-плагов входит ряд диагностических систем, которые позволяют контролировать параметры плазмы – а значит – конструкция будет контактировать с горячей зоной установки.
Коллеги по ИТЭР поставили перед учеными ИЯФ задачу: разработать субстанцию, которая позволит защитить оборудование порт-плагов от потока нейтронов. Аналогичные технологии из обычной ядерной энергетики для ИТЭР не годятся.
– Нам был нужен очень легкий материал, – рассказывает старший научный сотрудник ИЯФ СО РАН, кандидат физико-математических наук Андрей Шошин. – Материал, который эффективно захватывает и горячие, быстрые нейтроны, рожденные в результате термоядерных реакций, так и холодные, медленные, которые остаются на элементах конструкций. Материал, отвечающий всем требованиям — это бор. Точнее, одно из его самых легких соединений – карбид бора. Мы провели элементный анализ, показавший, что материал не содержит запрещенных примесей.
Различные типы керамики из карбида бора. Сканирующая электронная микроскопия. Источник изображения: пресс-служба ИЯФ СО РАН
Термоядерную керамику испытали в вакуумной лаборатории ИЯФа. Оказалось, вещество подходит по всем параметрам.
– Чтобы показать, как керамика из карбида бора ведет себя в вакууме, мы измеряли коэффициент газоотделения при нагревании для двух ее видов – горячепрессованной и свободноспеченной, – говорит научный сотрудник ИЯФ СО РАН, кандидат технических наук Алексей Семенов. – Новизна экспериментов в том, что этот материал никто и никогда не использовал в вакуумных технологиях – только для создания бронежилетов. Вакуумные свойства керамики из карбида бора были недостаточно изучены.
После опытов ИЯФ направил отчет в международную администрацию ИТЭР и руководство проекта утвердило новосибирскую керамику из карбида бора как новый, защитный компонент реактора.
– ИЯФ СО РАН участвует во многих международных научных проектах, и наш – не исключение, – прокомментировал руководитель диагностического департамента ИТЭР Майкл Уолш. – Перед специалистами из Новосибирска стояла задача – создать материал, способный обеспечить эффективную радиационную защиту и снизить радиационный фон, при этом не утяжелив конструкцию токамака.
По мнению представителя ИТЭР, для разработанной новосибирцами керамики найдутся сферы применения и за пределами термоядерной энергетики.
– Наши коллеги блестяще справились с задачей, – говорит Майкл Уолш. – Теперь нужно разработать технологию производства керамики из карбида бора для ИТЭР, которая позволит нарабатывать материал в больших объемах по разумной стоимости. Для ИТЭР ключевыми характеристиками при выборе материала были малый вес и способность эффективно поглощать нейтроны. Но эту керамику можно использовать и в других областях – например, в ядерной промышленности, в аэрокосмической отрасли и на других производствах, где требуются сверхпрочные конструкции.
Ранее мы сообщали, что работающая на Большом адронном коллайдере научная коллаборация, в которую входят новосибирские физики, обнаружила новую частицу.