Симуляция миллиарда атомов показала, что вольфрам в термоядерных реакторах разрушается быстрее прогнозов

Физики из Хельсинкского университета провели масштабное численное моделирование и пришли к выводу, что вольфрам, главный кандидат на роль обращённой к плазме стенки токамаков, деградирует под нейтронным облучением заметно сильнее, чем предполагали ранние расчёты.

Термоядерный синтез высвобождает энергию при слиянии двух лёгких ядер, а для запуска реакции нужны колоссальные температуры и давления, сравнимые с условиями внутри звёзд. Материалы, которые находятся рядом с такой реакцией, испытывают нагрузки, несопоставимые ни с чем в обычной технике.

Вольфрам выбрали именно за исключительную стойкость к экстремальному нагреву, у него самая высокая температура плавления среди металлов. Новое исследование показывает, что тепловая устойчивость не решает вторую проблему, радиационное повреждение кристаллической решётки.

Физик Хельсинкского университета Еспер Быггмястар, пояснил суть подхода:

Наша недавняя статья посвящена первичному радиационному повреждению, то есть повреждению, создаваемому единичной атомной отдачей. Понимание этого процесса – активное направление исследований.

Механизм разрушения выглядит так: реакции синтеза выбрасывают нейтроны высоких энергий, которые врезаются в атомы конструкционного материала и выбивают их из узлов решётки. Смещённый атом сам становится снарядом и запускает цепочку столкновений, так называемый каскад смещений, который меняет структуру всего фрагмента.

Сложность в том, что процесс не сводится к простому накоплению дефектов. Часть выбитых атомов возвращается на свои места, каскады частично рекомбинируют, и итоговый ущерб зависит от масштаба моделируемой области.

Именно поэтому команда решила воспроизвести хаос облучения максимально полно. Расчёты опирались на хорошо изученную молекулярную динамику материалов под нагрузкой, а вольфрам подвергали разным уровням энергии, которые он получает в реакторе до реакции, во время неё и после.

В итоге исследователи моделировали до миллиарда атомов одновременно, сверяя результаты с существующими моделями, чтобы убедиться в корректности воспроизведения реальной динамики. Такой объём позволил увидеть эффекты, которые ускользают от расчётов на меньших выборках.

Во время работы реактора и в экспериментах по облучению материал подвергается гораздо большему облучению на более длительных временных и пространственных масштабах.

Китай запустил 582-тонный магнит для реактора термоядерного синтеза "искусственное Солнце"

Во время ночной операции в реактор термоядерного синтеза ITER установили еще один гигантский модуль

При увеличении длительности и площади воздействия скорость деградации вольфрама оказалась выше ожидаемой. Это не отменяет использования металла в термоядерной энергетике, но меняет требования к расчётам ресурса компонентов.

Международный экспериментальный реактор ITER уже планирует применять вольфрам в дивертор, элементе, который принимает на себя самый интенсивный поток частиц и тепла из плазмы. Быггмястар добавил, что выводы работы скорее пригодятся для проектирования более прочных и долговечных компонентов в целом, чем для отказа от материала.