Регистрация / Вход
Прислать материал

Исследование поведения изотопов водорода в материалах термоядерных реакторов

Докладчик: Спицын Александр Викторович

Должность: Начальник лаборатории, к.ф.-м.н.

Цель проекта:
1. Исследование накопления изотопов водорода в перспективных материалах для защиты первой стенки термоядерного реактора - вольфраме и его сплавах с рением, после воздействия интенсивных тепловых потоков и повреждения электронным пучком, а так же в зависимости от концентрации растворенного радиогенного гелия. 2. Исследование водородопроницаемости перспективных конструкционных материалов (аустенитных сталей и бронзы Cu-Cr-Zr) атомных и термоядерных реакторов, термоядерных источников нейтронов, оборудования для водородной энергетики. 3. Oценка безопасности перспективных конструкционных материалов (аустенитных сталей и бронзы Cu-Cr-Zr) атомных и термоядерных реакторов при использовании в контакте с дейтерий-тритиевым топливом, а так же поиск путей снижения накопления изотопов водорода и снижения водородопроницаемости этих материалов.

Основные планируемые результаты проекта:
1. Исследование накопления изотопов водорода в перспективных материалах для защиты первой стенки
термоядерного реактора - вольфраме и его сплавах с рением, после воздействия интенсивных тепловых
потоков и повреждения электронным пучком, а так же в зависимости от концентрации растворенного
радиогенного гелия.
Для решения поставленной задачи будут проведены исследования образцов вольфрама различных марок,
производимых как японской, так и отечественной промышленностью. Образцы будут подвергнуты
воздействию различных факторов, ожидаемых в термоядерном реакторе: воздействию импульсных
тепловых потоков пучка электронов, воздействию электронов МэВных энергий, приводящих к
образованию точечных дефектов в структуре материала, а так же методом "тритиевого трюка" образцы
будут насыщены радиогенным гелием, который образуется в объеме материала в результате облучения
термоядерными нейтронами, а так же в результате радиоактивного распада трития. Затем будет проведено
исследование способности материала к захвату и накоплению изотопов водорода, определены
характеристики накопления, влияния отдельных факторов и разработаны методы удаления изотопов
водорода из вольфрама. Исследования будут проведены различными методами одновременно и в НИЦ
"Курчатовский институт" и в Центре исследования изотопов водорода Университета г. Тояма и будет
проведено сравнение и верификация экспериментальных результатов.
2. Исследование водородопроницаемости перспективных конструкционных материалов (аустенитных
сталей и бронзы Cu-Cr-Zr) атомных и термоядерных реакторов термоядерных реакторов, термоядерных
источников нейтронов, оборудования для водородной энергетики.
Для решения поставленной задачи будут изготовлены мембраны из перечисленных материалов и на
сверхвысоковакуумном стенде ПИМ проведены экспериментальные исследования проникновения
дейтерия через эти мембраны. Будет сделана оценка потоков, проникающих через конструкционные
материалы при различных условиях (температура, покрытия), ожидаемых для различных систем
термоядерных реакторов, контактирующих с тритием.
3. Oценка безопасности этих материалов при использовании в контакте с дейтерий-тритиевым топливом, а
так же поиск путей снижения накопления изотопов водорода и снижения водородопроницаемости этих
материалов.
Для решения поставленной задачи будут проведены оценки проникающих потоков с учётом
существующих концептуальных схем и режимов работы перспективных термоядерных реакторов, таких
как термоядерный источник нейтронов с термоядерной мощностью 50 МВт и демонстрационный реактор
ДЕМО с мощностью 500 МВт.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Потребности атомной и термоядерной энергетики требуют создания материалов, свойства которых не
меняются под воздействием нейтронов. Существующие материалы атомной техники, в частности
конструкционные материалы реакторов на быстрых нейтронах, могут применяться и в термоядерных
установках, однако требуется дополнительное обоснование и исследование влияния специфических
факторов и свойств, присутствующих в термоядерных установках. Перспективными материалами для
термоядерных установок является вольфрам и его сплавы в качестве обращенных к плазме материалов, а
так же аустенитная сталь ЧС-68 (штатная сталь для оболочек твэлов реакторов на быстрых нейтронах), а
так же бронза Cu-Cr-Zr, обладающая высокой теплопроводностью и хорошими механическим свойствами.
В то же время вопросы накопления водорода в таких материалах и из проницаемости изучались
недостаточно. Изучение этих вопросов необходимо для безопасности эксплуатации энергетических
установок.
Для создания термоядерных установок актуальными являются следующие проблемы:
•эрозии стенки и диверторных пластин токамака
Существующие методы и технологии не удовлетворяют всем требованиям, которые предъявляются к
обращенным к плазме компонентам (высокая теплопроводность, низкий атомный номер, стабильность
свойств при нейтронном облучении). В результате в данный момент не существует понимания, какие
материалы будут использоваться для защиты первой стенки вакуумной камеры промышленного
термоядерного реактора.
•накопления трития в обращенных к плазме и конструкционных материалах ТЯР
Все материалы, контактирующие с плазмой или топливом, содержащим тритий, могут накапливать
значительное количество трития в кристаллической решетке материала или в микро- и макроскопических
дефектах. Это явление нежелательно как с точки зрения безопасности, так и с экономической точки зрения
так как требует вовлекать в оборот большое количество дорогого трития.
•Удержание трития внутри вакуумной камеры ТЯР
Радиоактивный элемент топлива ТЯР – тритий – не должен проникать за пределы вакуумной камеры. В то
же время изотопы водорода могут диффундировать через металлы в силу малого размера атомов водорода.
Диффузия возрастает с ростом температуры металла, а облучение тритий-содержащей плазмой
поверхности металла как правило увеличивает проницаемость. Поэтому все материалы, которые могут
использоваться для изготовления элементов вакуумной камеры ТЯР, должны быть исследованы с точки
зрения проницаемости изотопов водорода как при плазменном облучении, так и из газа.

Текущие результаты проекта:
Определены основные экспериментальные методы, которые будут применяться в процессе выполнения ПНИ: метод термодесорбционной спектроскопии (для исследования накопления изотопов водорода в образцах), метод «тритиевого трюка» (для накопления в экспериментальных образцах радиогенного гелия, метод создания дефектов электронами МэВных энергий для моделирования некоторых эффектов при воздействии нейтронов на материалы.
Изготовлены экспериментальные образцы из вольфрама, бронзы CuCrZr и аустенитной стали.
Разработан эскизный проект модулей для модернизации стенда для измерения проникновения изотопов водорода через металлы (установки «ПИМ»)
Разработан метод облучения экспериментальных образцов вольфрама и сплава вольфрам-рений электронами высоких энергий на установке ЭХО, проведена апробация.
Разработан метод насыщения экспериментальных образцов вольфрама тритием для наработки радиогенного гелия в объеме материала.