Технология химического газофазного осаждения вольфрама приблизит запуск термоядерного реактора

Чтобы ядра в термоядерном реакторе преодолели кулоновский барьер и, соприкоснувшись, слились, нужна температура не менее 100 миллионов К. При разработке термоядерного реактора встает вопрос, как сделать стенку реактора достаточно стойкой, чтобы в ней можно было удержать такую горячую плазму.

Хотя плазма удерживается внутри реактора не механическим барьером, а с помощью магнитного поля, часть плазмы все равно атакует стенку реактора и распыляет ее. Стенка нагревается, но и плазма в этой области охлаждается до сотен тысяч кельвинов — происходят два процесса, которых для успешной работы реактора хотелось бы избежать.

Чтобы добиться равномерной температуры плазму по всему объему , была придумана концепция «потеющей стенки». На внутренней поверхности стенки дивертора создается система каналов, через которые впрыскивается жидкий литий. Литий легко плавится, зато плохо испаряется. Поэтому ядра лития меньше загрязняют плазму, чем это было бы с другими материалами. Литий — третий элемент Периодической таблицы и стоит ближе всего к водороду и гелию, что делает загрязнение плазмы атомами лития еще менее существенным.

Материал для «потеющей стенки» должен быть тугоплавким, теплопроводным, хорошо смачиваться литием, но при этом не должен с ним взаимодействовать. «Материалов, которые могут выдержать температуру в сто тысяч кельвинов, не существует в принципе. Самый тугоплавкий материал испарится на поверхности Солнца, а это всего лишь 6000 градусов, — сказал кандидат химических наук, заведующий лабораторией гетерогенного синтеза ИФХЭ РАН Владимир Душик.

— Но, поскольку плазма разрежена почти до состояния вакуума, ее теплоемкость на порядки ниже, чем теплоемкость стенки реактора. При интенсивном и эффективном охлаждении стенок реактора энергию, которая пошла бы на разрушение, можно отводить и рассеивать. Поэтому для стенки выбирают тугоплавкий материал с высокой теплопроводностью, который с противоположной стороны эффективно водо-охлаждается».

Наиболее тугоплавкий металл — вольфрам не взаимодействует с жидкими щелочными металлами. Но его теплопроводности для эффективного охлаждения недостаточно. Наибольшей теплопроводностью обладает медь. Хорошей стенки из чистой меди тоже не получается: во-первых, температура плавления меди на 2000 градусов ниже, чем у вольфрама. Во-вторых, медь при взаимодействии с плазмой атомизируется и попадает внутрь реактора. Ядра меди начнут отнимать часть кинетической энергии у ядер дейтерия и трития и ухудшать свойства плазмы. «Решение состоит в том, чтобы нанести на медную подложку вольфрамовый слой толщиной 30 мкм. Этот слой будет принимать на себя основную атаку — и плазмы, и химически активного лития», — объясняет Владимир Душик.

Преимущество метода химического газофазного осаждения в том, что создаваемое вольфрамовое покрытие не имеет пор. Это очень важно, потому что через поры может произойти взаимодействие медной подложки с агрессивной средой.

«В лаборатории гетерогенного синтеза ИФХЭ РАН давно практикуется метод химического газофазного осаждения. Этим методом можно вырастить монокристалл. Условия для появления пор отсутствуют, — продолжил Владимир Душик. — При создании тонкого вольфрамового покрытия на медной подложке задействованы все возможности и преимущества данного метода, и результат нас очень радует». Работы проведены по заказу и при содействии компании «Наука и инновации».

ИФХЭ РАН

9 статей

Институт физической химии и электрохимии имени Фрумкина — один из ведущих химических институтов Российской академии наук. Насчитывает более 800 сотрудников, среди которых 7 академиков, 9 членов-корреспондентов РАН, более чем 100 профессоров и 260 кандидатов наук. Проводимые в ИФХЭ РАН фундаментальные и прикладные исследования характеризуются многопрофильностью и включают следующие научные направления: поверхностные явления в коллоидно-дисперсных системах, адсорбция, физико-химическая механика; супрамолекулярные и наноразмерные системы для использования в современных высоких технологиях; химическое сопротивление материалов, защита металлов и других материалов от коррозии и окисления; химия и технология радиоактивных элементов, радиоэкология и радиационная химия; электрохимия. Успехи сегодняшних исследований опираются на уникальную экспериментальную базу Центра Коллективного Пользования, позволяющую решать практически любую задачу физико-химического исследования вещества или свойств его поверхности разнообразными современными методами. В их числе: электронная микроскопия и рентгеновский микроанализ, рентгеноструктурный анализ, рентгеновское малоугловое рассеяние, атомно-адсорбционный анализ, эллипсометрия, аннигиляция позитронов, хромато-масс-спектрометрия, инфракрасная, рамановская, фотоэлектронная, электронная спектроскопия, ядерный магнитный резонанс.

Показать больше