Ученые разработали технологию оптической диагностики поверхности металла, которая позволяет в реальном времени наблюдать воздействие мощного импульсного нагрева. Метод помогает прогнозировать реакцию материала при тепловой нагрузке на первую стенку вакуумной камеры строящегося термоядерного реактора ITER. Работа сотрудников Института ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН), Новосибирского государственного университета и Новосибирского государственного технического университета выполнена при поддержке гранта РНФ № 17–79–20203, результаты опубликованы в журнале Physica Scripta.

Множество лабораторий по всему миру исследуют то, как мощные потоки плазмы воздействуют на материалы. Устойчивость материалов первой стенки вакуумной камеры – это одна из ключевых проблем при создании источника энергии на основе управляемого термоядерного синтеза. Ожидается, что температура плазмы в токамаке ITER будет составлять 150 миллионов ⁰C. В спокойном состоянии она удерживается магнитным полем и с поверхностью не соприкасается, но реактор предположительно будет работать в режиме, при котором неизбежны неконтролируемые выбросы плазмы.

Благодаря методике, которая дает возможность изучать динамику импульсного теплового удара и последующего растрескивания материала, ученые получили принципиально новые данные о поведении материалов в экстремальных условиях. Экспериментально обнаруженная задержка между воздействием и реакцией на него может изменить представления о механизмах хрупкого разрушения твердых тел.

Растрескавшаяся и расплавленная поверхность вольфрама после теплового удара. ИЯФ СО РАН

Традиционные способы анализа применяются уже после теплового воздействия, и поэтому дают только косвенное представление о том, что происходило с металлом непосредственно во время импульсного нагрева. В этом случае ученые вынуждены восстанавливать ход событий по следам разрушений, которые остались на поверхности материала. Новый метод позволяет диагностировать материал в реальном времени.

«На нашем экспериментальном стенде BETA (Beam of Electron for material Test Applications, электронный пучок для испытаний материалов, — прим. Indicator . Ru) комплекса ГОЛ-3 мы развиваем in situ оптические диагностики, — рассказывает соавтор работы Александр Васильев. — Для создания теплового удара мы используем мощный пучок электронов: он дает относительно мало фонового света, который обычно мешает в таких диагностиках. При этом мы отслеживаем состояние поверхности по структуре ее теплового свечения и рассеяния на ней излучения диагностического лазера. Сочетание метода импульсного нагрева и разработанных нами диагностик позволяет в реальном времени отслеживать модификацию поверхности. Нам удалось выяснить, что при равномерном нагреве, на ней могут образовываться горячие области с повышенной деформацией».

Сейчас наиболее подходящим материалом для термоядерного реактора считается вольфрам, который устойчив к термическим и радиационным нагрузкам. Во время импульсного нагрева материал сильно расширяется, а затем при охлаждении сжимается и трескается. Новая технология позволяет ученым прогнозировать поведение вольфрама при таких нагрузках: у используемого в экспериментах пучка настраивают параметры, сходные с предполагаемыми импульсами плазмы в реакторе ITER (длительность — до 300 микросекунд, мощность — 10 ГВт/м2).

По словам Александра Васильева, процесс растрескивания, как показали эксперименты, проходит намного сложнее, чем предполагалось ранее. Оказалось, что трещины могут появляться не во время теплового воздействия, а с неожиданно большой задержкой после него.

«При длительности импульса нагрева менее одной тысячной секунды, за которую вольфрам успевает нагреться на несколько тысяч градусов, мы наблюдали образование трещин через несколько секунд после воздействия, когда материал уже остыл до комнатной температуры», — отметил ученый.