Репортаж от Wedoany，После многолетнего отбора материалов и инженерной валидации вольфрам стал основным выбором для конструкции дивертора в современных международных установках магнитного удержания плазмы.
В данной статье рассматривается история развития материалов, контактирующих с плазмой в термоядерных реакторах, анализируются причины, по которым углеродные материалы долгое время доминировали, но постепенно уступили позиции, а также объясняется, почему вольфрам стал предпочтительным вариантом для современных международных термоядерных установок.
В 1980-х и 1990-х годах углеродные материалы широко применялись в области магнитного удержания плазмы. Такие установки, как Joint European Torus (JET), Tokamak Fusion Test Reactor (TFTR) в США и JT-60U в Японии, активно использовали графит или углеродные композиты в качестве основных материалов для компонентов, контактирующих с плазмой. Углеродные материалы обладают отличной стойкостью к тепловым ударам и низким атомным номером, что давало им преимущество в ранних экспериментальных условиях. Однако, когда исследования термоядерного синтеза перешли к стадии дейтерий-тритиевых (D-T) реакторов, углеродные материалы столкнулись с серьезной проблемой удержания топлива. Под воздействием плазмы углеродные материалы подвергаются химическому распылению с образованием углеводородов, которые при осаждении захватывают значительные количества дейтерия и трития. Результаты экспериментов на установках JET и DIII-D показали, что совместное осаждение является одним из основных источников удержания трития, причем уровень удержания топлива значительно превышает допустимые пределы для будущих термоядерных реакторов. С появлением ITER и будущих термоядерных подстанций критерии оценки материалов сместились от обслуживания экспериментальной физики к обслуживанию энергетической инженерии. Контроль запасов трития, устойчивость топливного цикла, срок службы материалов и вопросы безопасности стали новыми ключевыми показателями, в результате чего углеродные материалы постепенно ушли с переднего плана.
В 2011 году JET, расположенный в Великобритании, завершил знаковую модернизацию, заменив все внутренние углеродные стенки на стенку, подобную ITER (ITER-Like Wall, ILW), состоящую из бериллиевой первой стенки и вольфрамового дивертора. Это была первая в международном сообществе термоядерного синтеза систематическая проверка концепции металлических стенок для проекта ITER на крупном токамаке. Результаты экспериментов показали, что по сравнению с периодом углеродных стенок, после замены на металлические стенки совместное осаждение значительно уменьшилось, а уровень удержания топлива снизился примерно на порядок, достигнув в некоторых режимах работы снижения в 10–20 раз. Эти результаты убедительно демонстрируют, что металлические материалы, контактирующие с плазмой, могут значительно снизить запасы трития, предоставляя важную экспериментальную основу для создания устойчивого топливного цикла будущих термоядерных электростанций. Однако эксперименты JET ILW также показали, что металлические стенки создают новые эксплуатационные проблемы, включая первоначальное снижение эффективности удержания энергии плазмы и проблемы контроля примесей с высоким Z. Вольфрам является типичным материалом с высоким атомным номером (высоким Z). Как только небольшое количество примесей вольфрама попадает в центральную плазму, его радиационные потери значительно выше, чем у элементов с низким Z, поэтому концентрацию примесей вольфрама в центральной области обычно необходимо контролировать на уровне ppm или даже ниже. В целом, эксперименты JET ILW доказали инженерную осуществимость системы материалов для реактора на основе металлических стенок.
Вольфрам стал основным вариантом благодаря балансу своих комплексных свойств. Температура плавления вольфрама достигает 3695 K, что в сочетании с эффективными системами активного охлаждения позволяет выдерживать стационарные тепловые нагрузки порядка 10–20 МВт/м². Вольфрам имеет высокий порог физического распыления, что приводит к более низкой скорости эрозии материала, и, в отличие от углерода, не подвержен значительному химическому распылению, вызывающему массовое захоронение топлива. Общий уровень удержания изотопов водорода в вольфраме значительно ниже, чем в углеродных материалах. Однако вольфрам не является идеальным материалом и сталкивается с проблемами высокотемпературного охрупчивания и рекристаллизации. Длительная работа при высоких температурах (обычно выше 1200–1300 градусов Цельсия) вызывает рекристаллизацию вольфрама, что приводит к увеличению хрупкости. В условиях непрерывной бомбардировки ионами гелия, при температуре материала в диапазоне примерно от 900 до 2000 Кельвинов, на поверхности вольфрама могут образовываться нановолокнистые структуры, известные как вольфрамовый пух (W-fuzz). Эти структуры могут отслаиваться, образуя металлическую пыль и влияя на характеристики теплопередачи. В настоящее время международное сообщество термоядерного синтеза считает, что только за счет улучшения свойств материалов уже невозможно принципиально решить проблему отвода тепла в будущих термоядерных реакторах. Будущие прорывы, скорее всего, будут достигнуты за счет скоординированного развития материалов, конструкции дивертора, оптимизации магнитной конфигурации и управления режимами работы.
В настоящее время большинство коммерческих компаний в области магнитного удержания плазмы, раскрывших свои проектные решения, продолжают использовать вольфрам в качестве материала для дивертора. К ним относятся China Fusion Company, Fusion New Energy, CFS, Tokamak Energy, Type One Energy и другие. На сегодняшний день ни одна из ведущих компаний в области магнитного удержания плазмы не предложила зрелой альтернативы твердотельному материалу, контактирующему с плазмой, который мог бы полностью заменить вольфрам. Оглядываясь на историю развития, можно сказать, что эволюция материалов для дивертора заключалась не в постоянном поиске материалов с более высокими характеристиками, а в постоянном поиске инженерных решений, которые лучше соответствуют эксплуатационным требованиям термоядерного реактора. Переход от углерода к вольфраму отражает изменение системы оценки исследований термоядерного синтеза от экспериментальной физики к энергетической инженерии. По мере того как твердотельные материалы приближаются к своим пределам по тепловым нагрузкам, сообщество термоядерного синтеза начинает переключать внимание на новые направления, такие как передовые конфигурации дивертора, активное управление тепловыми потоками и жидкометаллические материалы, контактирующие с плазмой.
