由俄羅斯科學(xué)院布德克命名的核物理研究所專家團(tuán)隊(duì)開發(fā)并推出了一個(gè)實(shí)驗(yàn)臺，使我們能夠研究材料在快速重復(fù)熱載荷影響下的疲勞失效。這些研究將展示用于制造托卡馬克熱核反應(yīng)堆第一壁的材料在高溫(超過 1000 度)、強(qiáng)大的脈沖等離子體流和輻射的影響下如何表現(xiàn)。該裝置的獨(dú)特之處在于，它可以快速重現(xiàn)反應(yīng)堆整個(gè)預(yù)期使用壽命期間壁將承受的完整荷載周期。它可以在大約 2 個(gè)工作周內(nèi)收集多達(dá) 1000 萬個(gè)加熱脈沖。在其他裝置中，這大約需要一年的時(shí)間。物理學(xué)家在制造聚變反應(yīng)堆時(shí)面臨的最重要問題之一是選擇反應(yīng)室第一壁的材料，該壁容納熱等離子體并與其直接接觸。溫度約為 1 億度的等離子體的粒子流和輻射會對腔室襯里產(chǎn)生巨大的熱負(fù)荷。

“目前還沒有明確的理論基礎(chǔ)來闡明在何種負(fù)載下以及材料如何發(fā)生破壞。有足夠多的工作分別研究了熱負(fù)荷的影響，但在熱核反應(yīng)堆的條件下，材料還會額外暴露于快離子和中子。與此同時(shí)，材料在綜合影響下的電阻顯著降低，”俄羅斯科學(xué)院核物理研究所高級研究員 Viktor Kurkuchekov 說道。目前，最難熔金屬鎢已被選為在建的最大托卡馬克裝置ITER(國際實(shí)驗(yàn)熱核反應(yīng)堆)第一壁的最合適材料。作為替代方案，物理學(xué)家正在考慮特殊陶瓷，例如基于硼化合物的陶瓷。為了模擬這些材料在熱核載荷下的行為，它們被電子束多次“射擊”。該裝置由俄羅斯科學(xué)院核物理研究所創(chuàng)建，其工作原理如下：電子槍產(chǎn)生強(qiáng)頻率脈沖束，然后該束在磁場中傳輸?shù)奖粶y目標(biāo)，該磁場由兩個(gè)線圈。在光束的作用下，靶材表面發(fā)生快速循環(huán)加熱。

電子束非常適合模擬熱等離子體的熱沖擊所產(chǎn)生的載荷，熱等離子體作用于托卡馬克反應(yīng)器壁，等離子體中存在所謂的 ELM不穩(wěn)定性。

“我們的方法適用于所有熱核裝置，因?yàn)榈谝槐诤推珵V器上的負(fù)載很大程度上取決于等離子體的參數(shù)，并且對于不同的裝置來說，其正負(fù)相同，”Viktor Kurkuchekov 解釋道。

使用粒子束測試材料的想法很久以前就出現(xiàn)了;類似的研究已經(jīng)在各種裝置中進(jìn)行，但之前沒有人能夠模擬在反應(yīng)堆整個(gè)運(yùn)行期間整個(gè)壁材料上施加的總載荷。

“到目前為止，核物理研究所的鎢破壞研究都是使用 BETA 裝置進(jìn)行的。它每 30 秒“發(fā)射”一次[光束]，需要產(chǎn)生 1000 萬個(gè)脈沖，”俄羅斯科學(xué)院核物理研究所的研究員 Igor Kandaurov 評論道，“新裝置是為大量脈沖而設(shè)計(jì)的。有些架子只發(fā)射一次，就積累了數(shù)十、數(shù)百次脈沖。我們希望以每秒 30 次的脈沖頻率運(yùn)行時(shí)實(shí)現(xiàn) 1000 萬次加熱循環(huán)。這將使材料能夠通過與 ITER 托卡馬克偏濾器在其整個(gè)設(shè)計(jì)壽命期間的預(yù)期相當(dāng)?shù)耐暾?fù)載循環(huán)次數(shù)進(jìn)行測試。目前科學(xué)文獻(xiàn)中還沒有關(guān)于鎢在這種性質(zhì)的負(fù)載下的疲勞強(qiáng)度的數(shù)據(jù)，我們將是第一個(gè)。”

新裝置的一個(gè)顯著特點(diǎn)是它的運(yùn)行頻率很高。每天工作8-10個(gè)小時(shí)，大約一到兩周就可以積累約1000萬次脈沖，而不是運(yùn)行一年。正如 Igor Kandaurov 解釋的那樣，使用調(diào)制光束可以在脈沖期間實(shí)現(xiàn)目標(biāo)上所需的負(fù)載，同時(shí)平均光束功率保持相對較低，這意味著安裝更緊湊、更簡單且更便宜。這是它相對于其他實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的電子束裝置的優(yōu)勢，在其他實(shí)驗(yàn)室中，用連續(xù)束掃描目標(biāo)。

目前，臺架已組裝完畢并進(jìn)行測試。

“我們進(jìn)行了第一百萬次發(fā)射，并確保能夠達(dá)到所需的性能。現(xiàn)在我們需要制備一種診斷復(fù)合體，以便直接觀察和研究輻照過程中材料表面的改性。因此，最有趣的還在后頭。未來，計(jì)劃測試已被 ITER 采用的鎢以及其他有前途的材料，”Viktor Kurkuchekov 解釋道。除了熱核材料科學(xué)，即實(shí)際應(yīng)用之外，疲勞失效研究的立場也為等離子體和加速器物理領(lǐng)域的研究開辟了新的機(jī)遇。該裝置的橫梁是環(huán)形的，這使得它不太穩(wěn)定。因此，使用光束源的專家開發(fā)了一種新的設(shè)計(jì)。俄羅斯科學(xué)院核物理研究所研究員Danila Nikiforov表示：“該源的創(chuàng)新之處在于環(huán)形陰極組件，粒子可以從該組件中飛出。如果你采用環(huán)形陰極，你會遇到不均勻的情況。”發(fā)射，這意味著梁中的橫向電荷分布將不均勻，這將使熱載荷的計(jì)算變得復(fù)雜。因此，我們想出了一種由鉭制成的特殊內(nèi)電極，它封閉了環(huán)形陰極的內(nèi)孔。我們通過實(shí)驗(yàn)證明，在高陰極溫度(大約一千五度)下，該電極不會塌陷。這是一項(xiàng)前所未有的創(chuàng)新。”得益于新的設(shè)計(jì)，研究人員和學(xué)生將能夠研究不穩(wěn)定性的演變，以及使用更清潔、更穩(wěn)定的光束。Viktor Kurkuchekov報(bào)告說，在五十萬個(gè)脈沖的規(guī)模下，沒有注意到光束退化的跡象。

“我們擔(dān)心在所選的實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)中，陰極的發(fā)射可能會下降，因?yàn)殛帢O會被與光束相互作用后飛離目標(biāo)的產(chǎn)物污染。但事實(shí)證明，我們采取的所有措施都讓我們避免了這種情況。這是一次有趣的經(jīng)歷，”丹尼拉·尼基福羅夫補(bǔ)充道。

從具體想法到實(shí)施的時(shí)間打破了紀(jì)錄——這項(xiàng)工作僅用了一年就完成了。這要?dú)w功于俄羅斯科學(xué)院核物理研究所不同實(shí)驗(yàn)室員工的成功結(jié)合，他們共同努力的成果就是實(shí)驗(yàn)臺架。

“最初，我們在核物理研究所都致力于不同的問題，屬于不同的物理學(xué)領(lǐng)域，”丹尼拉·尼基福羅夫說，“他們研究等離子體物理學(xué)，而我們研究加速器。我們向等離子體同事尋求幫助解決我們的一個(gè)問題，該問題涉及強(qiáng)電子束的使用。正是在這種互動過程中，產(chǎn)生了嘗試使用帶有白熾環(huán)形陰極的槍來研究熱核計(jì)劃材料的耐久性的想法。”

能夠在不同領(lǐng)域的交叉點(diǎn)進(jìn)行研究是俄羅斯科學(xué)院核物理研究所的顯著特征。

“這種合作伙伴關(guān)系對核物理研究所來說是一個(gè)很大的優(yōu)勢;并不是每個(gè)組織都有機(jī)會如此迅速地將來自不同物理領(lǐng)域的專家的經(jīng)驗(yàn)和能力結(jié)合起來。這是我們研究所的顯著優(yōu)勢。”Igor Kandaurov 總結(jié)道。