Американская команда предложила новый метод очистки пористых вольфрамовых стенок термоядерных установок in situ

Исследователи из Принстонской лаборатории физики плазмы Министерства энергетики США, Принстонского университета и Университета штата Пенсильвания предложили метод очистки материалов внутренних стенок термоядерных систем in situ, позволяющий после установки и герметизации компонентов в вакуумной камере удалять загрязнения с поверхности пористого вольфрама с помощью нагрева и неоновой плазмы. Результаты исследования опубликованы в журнале Nuclear Materials and Energy.

Источник изображения: Kyle Palmer / отдел коммуникаций PPPL

Внутренние стенки термоядерных систем должны выдерживать экстремально высокие температуры. Жидкий литий считается перспективным защитным материалом для стенок, который может удерживаться в структуре пористых вольфрамовых кирпичей, подобно тому, как вода впитывается губкой. Однако в процессе передового производства в таких пористых вольфрамовых материалах могут оставаться примеси, включая углерод, кислород и азот; при контакте с жидким литием углерод и кислород могут вступать в реакцию с образованием твердых веществ, закупоривая поры и препятствуя течению жидкого лития. Даже если материал был очищен по завершении производства, воздействие воздуха в процессе установки может привести к повторному загрязнению.

В ходе эксперимента исследователи поместили сильно загрязненные образцы пористого вольфрама в установку «Эксперимент-Бета с жидким литием на токамаке» (LTX-β) Принстонской лаборатории физики плазмы. Данная установка используется для изучения влияния жидкого лития на плазму и материалы, контактирующие с плазмой. Образцы в установке сначала подвергались обработке неоновым тлеющим разрядом, а затем нагревались до примерно 800 градусов Цельсия. Эксперименты показали, что комбинированная очистка нагревом и неоновой плазмой значительно эффективнее, чем использование только плазмы.

Исследователи отметили, что после обработки внешний вид образцов изменился с темно-серого на металлический серебристый. Результаты анализа показали, что доля чистого металлического вольфрама на поверхности образцов увеличилась с 0% до 87%, а содержание углерода значительно снизилось. Руководитель проекта Камила Лопес Перес заявила, что это исследование создает основу для очистки пористых вольфрамовых компонентов внутри термоядерных систем и способствует снижению ограничений, накладываемых загрязнением материалов на применение жидкого лития.

Исследовательская группа выбрала неон, а не гелий или другие газы, поскольку заряженные частицы неона имеют большую массу, что способствует более эффективному выбиванию примесей, таких как углерод и кислород. Команда также модернизировала зонд для крепления и измерения образцов, что позволило ему выдерживать более толстые образцы и обеспечивать более сфокусированное воздействие нагрева непосредственно на образец, повышая тем самым точность измерений.