Как удержать Солнце: материалы для термоядерных реакторов, и причем здесь пыль
Одной из основных проблем современных токамаков является выбор материалов, контактирующих с плазмой, или, как их еще называют, материалов первой стенки. Знакомые с принципом работы токамака могут возразить: в токамаке плазменный шнур удерживается магнитным полем, и плазма не должна касаться стенки. И теоретически это могло бы быть так, если бы не множество эффектов, нестабильностей и неидеальностей, из-за которых плазма потихоньку все же «просачивается» к стенкам. Это вызывает распыление материала первой стенки, и соответственно загрязнение плазмы атомами этого материала, которые сразу же ионизуются.
Ионизованные частицы в плазме испускают так называемое тормозное излучение, интенсивность которого пропорциональна заряду частицы в квадрате. Термоядерная плазма в идеальном случае содержит два изотопа водорода: дейтерий и тритий, у каждого из которых всего лишь по одному протону в ядре. В случае попадания в плазму, например, углерода с 6 протонами в ядре и полной его ионизации, тормозное излучение от такого иона будет в 36 раз выше, чем от ядра дейтерия. Таким образом, при загрязнении плазмы атомами первой стенки сильно увеличивается общее тормозное излучение из плазмы, которое «выкачивает» из нее энергию, и, соответственно, не позволяет ей набрать высокую, необходимую для термоядерных реакций, температуру.
Значит, материалы первой стенки должны состоять из элементов, имеющих как можно более низкий атомный номер. Это одно из основных требований, ограничивающих их выбор. Что же, рассмотрим все самые легкие элементы по порядку.
Первым номером в таблице Менделеева идет водород. Это газ, или в крайнем случае жидкость, так что стенку токамака из него не сделаешь. Номер два – гелий, тоже газ.
Номер три – литий, металл, но очень особенный металл. Во-первых, литий очень мягок, его можно резать обычным ножом, поэтому жесткие элементы конструкции из него невозможно сделать. Во-вторых, литий становится жидким уже при 180 градусах Цельсия. В-третьих, литий крайне химически активен, работа с ним на воздухе затруднена. Тем не менее, благодаря своему низкому атомному номеру, литий все же используется в некоторых токамаках, причем именно в жидком виде. Жидким литием пропитывают специальные металлические капиллярно-пористые структуры, образуя на их поверхности тонкую пленку жидкости. Работа с жидким литием крайне сложна, поэтому лишь штучные токамаки в мире проводят такие исследования. В России работы с жидким литием ведутся на токамаке Т-11М. В НИЯУ МИФИ на учебном токамаке «МИФИСТ» также планируются эксперименты с жидким литием.
Номер четыре – бериллий. Это твердый и хрупкий металл, обладающий большой теплопроводностью и высокой температурой плавления. Именно поэтому он очень хорошо подходит в качестве материала облицовки первой стенки токамака. И действительно будет использоваться в таком качестве в самом большом строящемся токамаке – международном термоядерном реакторе ИТЭР. Кстати, для этого потребуется существенная часть всего производимого в мире бериллия. У бериллия есть очень серьезный недостаток, он крайне вреден для людей, является сильным канцерогеном. Поэтому работа с бериллием требует серьезных мер безопасности, контроля и учета.
Номер пять – бор. Хрупкий полуметалл, обладает плохой теплопроводностью. Массивные изделия из чистого бора не изготавливают. Однако он применяется в термоядерных реакторах в виде тонкого покрытия. Процесс нанесения тонкого покрытия бора на элементы первой стенки называется боронизацией и часто используется в современных токамаках.
Номер шесть – углерод. Из углерода и его композитов можно изготавливать массивные детали, поэтому углеродная облицовка внутренних стенок токамаков широко применяется. Углерод выдерживает высокие температуры и обладает хорошей теплопроводностью. Недостатком углерода и его композитов является их высокая способность к захвату и удержанию изотопов водорода, что при работе с радиоактивным тритием может создать дополнительные проблемы, связанные с его накоплением в первой стенке.
Элементы с атомными номерами 7, 8, 9 и 10 – газы: азот, кислород, фтор и неон, так что для использования на первой стенке токамака они не представляют интереса. Как видим, в токамаках используются все самые легкие элементы, которые хоть как-то можно использовать для облицовки первой стенки. Других вариантов природа нам не предоставила.
Однако в токамаках широко используется еще один элемент таблицы Менделеева – вольфрам, обладающий атомным номером 74. Несмотря на столь высокий атомный номер, преимущество вольфрама в том, что это самый тугоплавкий металл, его температура плавления 3422 градуса Цельсия, поэтому он используется в самом термически нагруженном месте токамака – диверторе.
Для того чтобы предотвратить попадание материала стенок в плазменный шнур, магнитная конфигурация в современных токамаках устроена таким образом, что внешний – самый «грязный» слой плазмы «соскребается» на специальные пластины в нижней части токамака – дивертор. Этот слой плазмы так и называется – scrape-off layer, т.е. соскребаемый слой. Удаляя внешний слой плазмы удаляются и все атомы материалов первой стенки, которые иначе могли бы попасть в центр плазменного шнура и привести к высокому тормозному излучению из плазмы, как было описано выше. Пластины дивертора – самое термически нагруженное место токамака. Множество методов применяется чтобы снизить тепловую нагрузку, приходящую на них, и тем не менее только вольфрам способен выдержать ее.
Несмотря на то, что пластины дивертора активно охлаждаются, они могут в процессе работы токамака разогреваться до белого каления. Циклический нагрев до высоких температур и последующее охлаждение вполне может привести к их растрескиванию с образованием микрочастиц вольфрама – металлической пыли. Но это не единственный источник микрочастиц в токамаке.
В процессе работы токамака, как уже было сказано, происходит распыление материалов первой стенки, а значит рано или поздно распыленные частицы все же вернутся на стенку. Только скорее всего не на то место, откуда улетели. Так образуются перенапыленные слои материалов, которые через какое-то время отшелушиваются и микроскопическими чешуйками отпадают от того места, где выросли. Такая металлическая «шелуха» тоже становится пылью.
В следствие различных нестабильностей плазмы возможен локальный перегрев элементов первой стенки вплоть до местного ее расплавления. Тогда в объем токамака могут полететь микрокапли материала, которые затвердевая упадут вниз в виде металлических шариков. Вот как минимум три механизма образования металлической пыли в токамаке.
Накопление такой пыли внутри токамака опасно по нескольким причинам. Обладая большой поверхностью, пыль способна «впитывать» в себя изотопы водорода, что может привести к повышенной радиационной опасности при захвате большого количества трития. Также известно, что мелкая металлическая пыль может взрывообразно гореть на атмосфере. Поэтому, если при какой-то аварии произойдет резкая разгерметизация токамака, то количество пыли внутри должно быть меньше определенного предела.
Именно с целью контроля общего количества пыли в токамаке ИТЭР, путем взятия контрольных образцов, в НИЯУ МИФИ разрабатывается специальный пылесборный зонд. Как проведя пальцем по полке в комнате, ученые с помощью этого зонда смогут определить, пора ли проводить «уборку» токамака. Но об этом – в нашей следующей колонке.
Автор: Ярослав Садовский, к. ф-м.н, доцент кафедры «Физика плазмы» института ЛаПлаз НИЯУ МИФИ
Материал подготовлен НИЯУ МИФИ
Наиболее перспективным кандидатом на роль термоядерного реактора на данный момент является токамак – установка, изобретенная в СССР, в которой зажигается плазменный шнур в форме бублика. Несмотря на то, что ни на одном токамаке в мире пока еще не получен положительный выход энергии, продолжают строиться новые, все более сложные, технологичные и дорогие токамаки. Уж очень привлекательна цель!