Термоядерные реакторы сулят большие перспективы в качестве будущего источника энергии, но возможно ли создать материалы, способные выдержать мощь такого искусственного светила? Специализированные установки, построенные в голландском исследовательском институте DIFFER, демонстрируют, как небольшая лаборатория может внести значительный вклад в науку о термоядерном синтезе.
Ученые и инженеры ожидают следующего «выстрела», в то время как часы на экране отсчитывают секунды. Затем внезапная вспышка яркого света на мониторе: бортовая камера, быстро приглушая ослепительное сияние, показывает луч светящегося горячего газа.
Сотрудники находятся в диспетчерской голландской исследовательской установки Magnum-PSI, которая только что обстреляла образец вольфрама лучом раскаленной плазмы с температурой в десятки тысяч градусов Цельсия. Поток быстрых заряженных частиц бомбардирует каждый квадратный метр материала-мишени с тепловой мощностью в десятки мегаватт. Это сравнимо с пребыванием на поверхности Солнца в течение нескольких часов.
В Magnum-PSI разработчики будущих термоядерных электростанций могут испытывать материалы для своих токамаков и стеллараторов. Этим реакторам предстоит выдержать задачу производства энергии с помощью того же процесса, который питает звезды. Пятнадцатиметровая конструкция Magnum-PSI из вакуумных камер из нержавеющей стали – лишь одна из больших машин, которые Голландский институт фундаментальных энергетических исследований (DIFFER) использует для испытания термоядерных материалов.
Посетители DIFFER часто удивляются, узнав, что Центр исследований термоядерного синтеза не располагает собственным термоядерным реактором, поясняет Ханс ван Эк, руководитель отдела установок и приборов DIFFER. Вместо этого институт несколько десятилетий назад решил специализироваться на решении вопроса, с которым сталкивается каждый участник глобальной гонки за термоядерной энергией: что происходит с материалами в течение их срока службы в термоядерном реакторе? Чтобы ответить на этот вопрос, DIFFER построил специальные машины, имитирующие условия, в которых термоядерная плазма контактирует со стенкой реактора.
Ханс ван Эк отмечает, что современные токамаки и стеллараторы выше, чем все здание института. Если добавить вспомогательные объекты для нагрева, охлаждения, измерительной аппаратуры и электрического хозяйства, то площадка заняла бы большую часть университетского кампуса. Эксплуатировать что-либо подобное ИТЭР и другим государственным или частным реакторам здесь невозможно.
Вместо этого специализированные установки DIFFER занимают уникальное положение между термоядерными реакторами и настольными установками, эксплуатируемыми небольшими университетскими группами. Ханс ван Эк утверждает, что установки DIFFER отвечают на актуальные для термоядерного синтеза вопросы с таким уровнем детализации, который недоступен где-либо еще.
Обзор всех экспериментальных установок, имеющих отношение к термоядерному синтезу в Европе, проведенный консорциумом EUROfusion в 2024 году, назвал оборудование DIFFER «незаменимым» – это самая высокая из возможных оценок.
В качестве примера того, как DIFFER вносит вклад в мир термоядерного синтеза, можно привести металл вольфрам. Обладая температурой плавления 3400°C, он в настоящее время является предпочтительным материалом для защиты внутренних частей термоядерных реакторов. Например, проект ИТЭР, строящийся международным консорциумом исследователей на юге Франции, объявил в 2024 году, что построит всю свою внутреннюю стенку из вольфрама.
При надлежащем охлаждении вольфрам может выдерживать невероятный тепловой поток термоядерного синтеза. Но ожидается, что годы контакта с плазмой ИТЭР все же вызовут такие повреждения, как охрупчивание. Насколько? Ответ влияет на графики ремонта, затраты и плановое обслуживание будущих электростанций. Установка Magnum-PSI – единственное в мире устройство, которое уже может подвергать материалы воздействию условий, аналогичных ожидаемым в ИТЭР, или даже более интенсивным условиям, ожидаемым в токамаках, разрабатываемых частными компаниями.
В 2018 году команда Magnum-PSI даже установила мировой рекорд, подвергнув образцы вольфрама воздействию такого количества плазмы за 18 часов, с которым они столкнулись бы за целый год работы на ИТЭР на высокой мощности. Металл хорошо выдержал испытание, что убедило ИТЭР в правильности выбора материала. По мнению Ханса ван Эка, это яркий пример того, как разумная специализация позволяет небольшому исследовательскому институту оказывать глобальное влияние.
Томас Морган руководит исследованиями DIFFER по взаимодействию плазмы и материалов стенок. Он объясняет, почему установки института могут дать гораздо более четкую картину деградации материалов, чем современные термоядерные реакторы.
Томас Морган отмечает, что в больших машинах можно открыть вакуумные камеры и извлечь куски материала стенки только после завершения научных кампаний, состоящих из десятков или сотен «выстрелов», каждый из которых имеет разные условия. По словам физика, такая совокупность постоянно меняющихся условий делает реконструкцию того, как и почему эволюционировал материал, практически невозможной.
В Magnum-PSI длинный манипулятор может переместить образец в аналитическую камеру после «выстрела», чтобы изучить его реакцию на изменение только одного параметра плазмы, например, температуры или энергии воздействия частиц. А в новых установках института техники и исследователи могут изучать эти эффекты даже во время воздействия плазмы.
Беата Тибурска-Пюшель, специалист по материаловедению, считает, что производительность Magnum-PSI – это уже вчерашний день. Возглавляя специализированный ускоритель частиц в зале, расположенном рядом с «рабочей лошадкой» института – плазменной установкой, она управляет установкой ионного пучка (УИП) DIFFER.
УИП может изучать глубинную структуру материала, такую как трещины, полости или дефекты в идеальной атомной решетке, путем отражения потока быстрых частиц от образца. Увеличив энергию, машина может даже имитировать повреждения, наносимые воздействием нейтронных частиц в результате термоядерной реакции.
Беата Тибурска-Пюшель объясняет, что настоящий прорыв заключается в том, что теперь можно делать все это во время воздействия плазмы, а не только до и после.
Подключив УИП к уменьшенной версии Magnum-PSI под названием UPP, DIFFER может в режиме реального времени наблюдать за тем, как материал изменяется от секунды к секунде под воздействием горячей плазмы. По словам Тибурской-Пюшель, эта возможность является уникальной в мире и открывает совершенно новый способ изучения того, как различные процессы внутри реактора модифицируют материалы стенок.
Любимый пример Тибурской-Пюшель – два конкурирующих процесса внутри стенки термоядерного реактора. С одной стороны, быстрые нейтроны, образующиеся в результате термоядерной реакции, создают дефекты в материале, например, микроскопические трещины и полости. С другой стороны, изотопы водорода из термоядерного топлива просачиваются в металл и заполняют эти пустоты. Влияют ли эти процессы друг на друга?
Она объясняет, что если сначала создать дефекты в одной экспериментальной установке, а затем загрузить материал водородом в другой машине, то не удастся увидеть, как водород занимает место в дефектах и препятствует их самовосстановлению по мере перемещения атомов в результате бомбардировки. Теперь появилась возможность изучать эту синергию в процессе ее возникновения.
С 500 часов работы ионного пучка и пяти пользователей в 2021 году Установка ионного пучка выросла до 3000 часов работы пучка и 20 различных пользователей в 2025 году. Это примерно предел того, что возможно в течение обычного рабочего года, с учетом остановок на техническое обслуживание и модернизацию, но пользователи внутри и за пределами института запрашивают еще больше экспериментального времени.
«Наши пользователи получили первое представление о том, что может делать УИП, и теперь они хотят большего», – говорит Тибурска-Пюшель.
Машина даже вышла за пределы мира термоядерного синтеза, проводя эксперименты для отдела DIFFER по электрохимическому расщеплению воды и для консорциума, исследующего проблемы материалов в реакторах на расплавах солей.
«Сейчас я полностью загружена, поэтому, возможно, нам придется планировать дополнительные смены или подавать заявки на гранты, чтобы добавить второй ускоритель».
Томас Морган, физик, занимающийся плазмой, является одним из основных пользователей установок DIFFER для термоядерных материалов. После первых экспериментов в Magnum-PSI он выиграл грант голландского агентства по финансированию науки NWO для дальнейшего изучения «темной лошадки» в области термоядерных материалов совместно с коллегами из соседнего Технологического университета Эйндховена (TU/e). Тема: самовосстанавливающиеся слои жидкого металла, защищающие внутреннюю часть термоядерного реактора.
Идея столь же ошеломляющая, сколь и простая. При правильной конструкции покрытие из жидкого металла, протекающего по нижележащей сетке и через нее, сможет самовосстанавливаться после любых повреждений, вызванных плазмой. Физик и его команда построили установки в DIFFER и TU/e для изучения всего жизненного цикла таких компонентов.
Эти установки варьируются от 3D-принтера для создания идеальной опорной сетки до установок, которые могут подвергать компонент воздействию плазмы и испытывать лучший металл для этой работы. В стадии подготовки находится даже специальная машина для проверки того, как изотопы водорода из термоядерного топлива могут задерживаться в жидком металле и выходят ли они равномерным потоком или большими, разрушительными пузырями.
Отвечая на вопрос о том, что требуется для создания таких исследовательских установок, как DIFFER, Ханс ван Эк дает четкий ответ. Для проектирования, создания, обслуживания и эксплуатации установок среднего масштаба института требуется, как говорится, целая деревня. Фактически, его отдел технической поддержки составляет четверть всего института. Сюда входят собственное конструкторское бюро и механическая мастерская, инженеры-электронщики и программисты, а также специальные операторы. Это сильно отличается от университетских групп, где на одну исследовательскую группу из десяти ученых приходится один инженер-технолог.
«Установки требуют смелости для инвестиций, – заявляет Ван Эк. – Я бы сказал, что это возможно только в институте с долгосрочной финансовой стабильностью».
После создания установки в экспериментальных залах служат годами, постоянно модернизируясь и совершенствуясь.
Отвечая на вопрос о том, куда будут двигаться установки DIFFER в будущем, Беата Тибурска-Пюшель объясняет, что машины должны продолжать совершенствоваться, чтобы оставаться на переднем крае науки. Она мечтает о том, чтобы Установка ионного пучка стала автономной. Сейчас она может работать всю ночь по заранее запрограммированным инструкциям; с помощью искусственного интеллекта система должна сама определять, какие интересные особенности есть в анализе и какие измерения следует выполнить, чтобы получить ценные данные для пользователей.
+ There are no comments
Add yours