Ученые МИФИ разработали 1-ю в мире теорию поведения водорода на стенках токамаков

Ученые Национального исследовательского ядерного университета МИФИ разработали первую в мире математическую модель поглощения атомов водорода стенками термоядерных реакторов. Как отметили в ядерном университете, работа российских ученых поможет в решении одной из сложнейших краеугольных задач, стоящих перед разработчиками промышленных термоядерных реакторов.

Поглощение водорода внутренней стенкой реактора — процесс, оказывающий негативное влияние на эффективность термоядерного реактора. Важнейший вопрос, который сегодня решается в рамках проекта международного термоядерного реактора ИТЭР, заключается в том, чтобы предсказывать накопление водорода в стенках реактора. А это, в свою очередь, нужно, например, для того, чтобы знать, как часто придется «обеззараживать» стенки от накопленного водорода. Старший научный сотрудник кафедры физики плазмы МИФИ Степан Крат стал автором первой в мире математической модели процесса накопления водорода в поверхности термоядерного реактора.

Несмотря на то, что в токамаках магнитные поля удерживают плазму от соприкосновения со стенками реактора, полностью исключить взаимодействие невозможно. Мельчайшие «брызги» раскаленной плазмы могут ударяться о стенку, выбивая из нее небольшие осколки и частицы — иногда буквально одиночные атомы (например, атомы вольфрама — поскольку с большой вероятностью именно из вольфрама будет состоять внутренняя стенка международного термоядерного реактора ИТЭР). Эти отколовшиеся от стенки частицы сначала какое-то время летят по камере реактора, а затем осаждаются обратно на стенку. Проблема в том, что отколотые от поверхности частицы, осаждаясь, увлекают с собой атомы рабочего газа плазмы — а это различные изотопы водорода. В результате, на поверхности камеры термоядерной установки растет водородонасыщенная пленка. Именно этот механизм ответственен за большую часть накопления водорода в камере.

Во-первых, рассказали в МИФИ, в составе рабочего газа в термоядерном реакторе имеется радиоактивный изотоп водорода — тритий. Его накопление в стенке реактора может создавать угрозы для радиационной безопасности. Во-вторых, тритий — весьма дорогое сырье, и если он теряется для рабочего процесса — это негативно влияет на экономику термоядерного реактора. И в-третьих, в моменты плазменных разрядов поверхность будет нагреваться и поглощенный водород будет выделяться обратно — а это уже будет влиять на саму термоядерную реакцию, так как этот водород в сотни и тысячи раз холоднее рабочей плазмы, что само собой, оказывает негативное влияние на ее горение.

Предложенная учеными МИФИ теория исследует поведение разных изотопов водорода в этом процессе. В предполагаемых энергетических термоядерных реакторах (в том числе в ИТЭРе) будет использоваться смесь двух изотопов водорода — дейтерия и трития. Удельный вес двух этих газов разный (тритий тяжелее). Степан Крат со своими коллегами впервые выдвинул гипотезу, что параметры процессов соосаждения дейтерия и трития будут отличаться друг от друга, а ситуация для смеси двух этих газов будет подчиняться третьему набору параметров. Предложенная теоретическая модель описывает случай для смеси двух и более изотопов водорода и показывает, что механизмы их поглощения стенками реактора подчиняются сложным нелинейным закономерностям, зависящим от множества факторов. Результаты моделирования были опубликованы в Journal of Nuclear Materials. Соавторами публикации стали сотрудники НИЯУ МИФИ Юрий Гаспарян и Александр Пришвицын. Уже после публикации гипотеза Степана Крата была экспериментальна проверена в МИФИ на смеси двух нерадиоактивных изотопов водорода — дейтерия и протия.