Глава 390. Хорошие и плохие новости •
В Научно-исследовательском институте управляемого ядерного синтеза в горах Цися, стоя в лаборатории, Сюй Чуань смотрел на изображения и данные на экране.
А сбоку от лаборатории находилась изолированная экспериментальная комната.
В ней сканирующий электронный микроскоп, анализатор металлов in situ, масс-спектрометр и другое оборудование анализировали материалы в устройстве.
Второй предельный эксперимент установки "Рассвет" создал не только рекорд работы плазмы высокой плотности в течение двух часов, но и эксперимент по зажиганию дейтерий-тритиевого топлива.
Данные и ценность, полученные в результате настоящего эксперимента по зажиганию дейтерий-тритиевого топлива, несравнимы с данными, полученными при моделировании потока плазмы высокой плотности с помощью гелия-3 и водорода.
Хотя последнее также может приближаться к первому по температуре, плотности и т.д., оно, в конечном счёте, не может вызвать явление синтеза.
А первое, даже если его количество составляет всего один миллиграмм, может осуществить настоящий дейтерий-тритиевый синтез, высвободить энергию, высвободить нейтроны, повысить температуру плазмы, нарушить работу плазмы и так далее.
Всё это невозможно сделать при моделировании с помощью гелия-3 и водорода.
В частности, нейтронное радиационное повреждение материала первой стенки - это следующая мировая проблема управляемого ядерного синтеза после контроля турбулентности высокотемпературной плазмы в камере реактора.
Материал первой стенки должен не только выдерживать температуру высокотемпературной дейтерий-тритиевой плазмы в камере реактора, достигающую сотен миллионов градусов, но и противостоять потоку нейтронов, образующемуся в процессе синтеза дейтерий-тритиевого топлива.
Кроме того, материал первой стенки, возможно, даже должен выполнять функцию самообеспечения тритием.
Два вида сырья для управляемого ядерного синтеза DT - это дейтерий и тритий.
Содержание дейтерия на Земле огромно, только в морской воде содержится около 40 триллионов тонн дейтерия, и его получение относительно простое.
Но по сравнению с дейтерием, запасы трития на Земле довольно скудны.
Мировые запасы трития в природных ресурсах настолько малы, что ими можно пренебречь, в природе его содержится всего около 3,5 килограммов.
А запасы трития во всех странах мира в совокупности не превышают двадцати пяти килограммов.
С одной стороны, тритий самопроизвольно испускает β-лучи и распадается, период полураспада составляет всего 12,5 лет.
С другой стороны, его обычно можно получить только с помощью ядерной реакции.
В настоящее время в промышленности тритий получают в основном с использованием нейтронов из реактора, используя соединение лития-6 в качестве мишени, производят тритий, а затем используют метод термодиффузии, чтобы обогатить тритий до 99% и выше, а затем собрать и сохранить.
А поток нейтронов неконтролируем, к тому же количество, производимое в реакторах ядерного деления, невелико, поэтому выход очень низкий.
Поэтому в технологии управляемого ядерного синтеза вопрос о том, как поддерживать самообеспечение тритием, также является одним из ключевых.
Возможно, кто-то подумает, что можно использовать ускоритель частиц для ускорения нейтронов, бомбардирующих литиевый материал, для производства трития, но, честно говоря, у тех, кто так думает, скорее всего, были проблемы с физикой в старшей школе.
Нейтрон не имеет заряда, магнитное поле ускорителя на него никак не действует.
Если бы магнитное поле могло удерживать нейтроны, то материал первой стенки реактора управляемого ядерного синтеза не был бы таким сложным для поиска.
К счастью, в процессе дейтерий-тритиевого синтеза образуется большое количество нейтронов, и если использовать нейтроны для бомбардировки мишени из соединения лития-6, то теоретически можно поддерживать самообеспечение тритием.
И во время последнего запуска реактора "Рассвет" Сюй Чуань провёл такой эксперимент.
На первой стенке он установил пластины из различных материалов: соединения лития-6, вольфрамового сплава, молибденового сплава, графита, углеродного композитного материала, бериллиевого сплава и т.д.
Среди них материал мишени из соединения лития-6 использовался для проверки того, действительно ли нейтроны, высвобождаемые в процессе дейтерий-тритиевого синтеза, могут, как и в теории, бомбардировать литиевый материал, производя достаточное количество трития.
А другие материалы предназначались для поиска наиболее подходящего материала первой стенки.
Нейтронное облучение - это не шутки.
На данный момент оно может оказывать сильное трансмутационное воздействие на большинство материалов, на подавляющее большинство металлических материалов.
Это не только разрушает структуру материала, но и, подобно вспенивающему агенту, превращает материал в очень хрупкую пену.
Представьте себе, каково это, когда кусок стали толщиной с пенопластовую коробку ломается на куски от лёгкого прикосновения руки?
Нейтронное облучение в реакторе управляемого ядерного синтеза может это сделать.
На самом деле, так и есть, хотя в последнем эксперименте установки "Рассвет" использовался всего один миллиграмм дейтерий-тритиевого топлива, нейтроны, образовавшиеся в процессе синтеза, всё же нанесли различную степень повреждения этим различным тестовым материалам, размещённым на первой стенке.
Но, к счастью, материал мишени из соединения лития-6 действительно сыграл свою роль в процессе эксперимента, нейтронный поток, образовавшийся в результате дейтерий-тритиевого синтеза, столкнулся с ним и произвёл некоторое количество трития.
Поэтому теоретически, использование соединения лития-6 в качестве реагента для решения проблемы самообеспечения тритием возможно.
Это тоже можно считать большим прорывом.
Ведь раньше ни одно экспериментальное учреждение или исследовательский институт не могли реально провести эксперимент по дейтерий-тритиевому синтезу в экспериментальном реакторе для проверки синтеза трития из нейтронов и литиевого материала.
Они, вероятно, были первыми.
Однако, наряду с хорошими новостями, есть и плохие.
Степень повреждения различных тестовых материалов, установленных на первой стенке для защиты от нейтронного облучения, оказалась выше, чем рассчитывал Сюй Чуань.
Глядя на изображение на экране компьютера, профессор материаловедения Чжао Гуангуй, стоявший рядом с Сюй Чуанем, вздохнул и сказал: "Судя по экспериментальным данным, проблем гораздо больше, чем мы думали."
Сюй Чуань, глядя на изображение на компьютере, сказал: "Как бы их ни было много, их нужно решать одну за другой, не так ли?"
Услышав это, Чжао Гуангуй вздохнул: "Это правда, но у нас немало проблем. И мы сейчас вступили в новую область, в области управляемого ядерного синтеза больше нет исследовательских институтов или лабораторий, которые могли бы предоставить нам опыт в качестве ориентира."
Услышав это, Сюй Чуань улыбнулся и сказал: "Опора на опыт и идеи других людей, конечно, может дать нам большое удобство, но в конечном итоге это всего лишь движение по чужому пути. В научных исследованиях, чтобы чего-то добиться, в конечном итоге нужно иметь свои собственные идеи и мысли."
Рядом с ним профессор материаловедения Син Сюэсин, переведённый из Университета Цинхуа, улыбнулся: "Идти впереди и расширять границы - это то, чего желает каждый исследователь и учёный."
Помолчав, он вернул тему к экспериментальным данным: "Но профессор Чжао прав, у нас немало проблем." "И самообеспечение тритием, и повреждение различных образцов материалов, устойчивых к нейтронному облучению, намного ниже, чем ожидалось до эксперимента."
"Использование нейтронов для бомбардировки литиевой мишени действительно может привести к образованию трития. Но количество, которое мы получили, не так велико, как теоретически."
"С одной стороны, пучок нейтронов, генерируемый в результате синтеза в камере, не весь воздействует на мишень из соединения лития-6. Он несет слишком много энергии и напрямую пробивает мишень, что приводит к гораздо меньшему количеству реакций, чем ожидалось."
"С другой стороны, энергия этих нейтронов слишком высока. При температуре 120 миллионов градусов энергия пучка нейтронов, высвобождаемых в результате дейтериево-тритиевого синтеза, сравнима с энергией в больших и средних ускорителях частиц. Это оказывает крайне серьезное воздействие на мишень и первую стенку."
Сюй Чуань немного подумал и сказал: "Первую проблему решить довольно просто, можно увеличить толщину мишени. Кроме того, можно сделать ее полностью покрывающей, чтобы она целиком окружала реакционную камеру. Таким образом, пучок нейтронов не будет расходоваться впустую."
"Что касается второй проблемы, то она немного сложнее."
Управляемый ядерный синтез - это не ядерный распад, температура ядерного распада намного ниже, чем температура ядерного синтеза.
Даже при взрыве ядерной бомбы большой мощности температура в центре достигает максимум нескольких миллионов градусов.
Температура в эпицентре взрыва "Малыша", сброшенного на Хиросиму, составляла всего шесть тысяч градусов. Для сравнения, эта величина ничтожна в контексте управляемого ядерного синтеза.
Шесть тысяч градусов - это даже не малая толика температуры плазмы в термоядерном устройстве "Рассвет".
А если температура взрыва ядерной бомбы такова, то температура атомной электростанции, использующей эффект ядерного деления для выработки электроэнергии, еще ниже.
Поэтому подавляющее большинство материалов, устойчивых к радиационному излучению, которые можно использовать в реакторах ядерного деления, совершенно непригодны для использования в реакторах управляемого ядерного синтеза.
В ходе эксперимента повреждениям подверглись не только литиевые мишени, используемые для самоподдержания трития, но и другие экспериментальные материалы, размещенные на первой стенке.
В стороне Чжао Гуангуй неуверенно спросил: "Как насчет того, чтобы немного снизить температуру синтеза?"
"Температура дейтериево-тритиевого синтеза может составлять около двенадцати миллионов градусов, а сто двадцать миллионов градусов - это увеличение в десять раз."
"Хотя снижение температуры повлияет на активность дейтериево-тритиевой плазмы, что, в свою очередь, повлияет на количество реакций синтеза и производимую энергию, пожертвовать частью тепла и энергии ради стабильности материала первой стенки - не самый плохой вариант."
Сюй Чуань подумал и покачал головой: "Это маловероятно."
"Хотя тепловое движение может вызывать неупругие столкновения нейтронов, и чем выше скорость теплового движения, тем большее влияние оно оказывает на вещество, уровень энергии пучка нейтронов в термоядерном реакторе не определяется только температурой."
"Его основным источником является энергия, производимая при синтезе ядер дейтерия и трития. При каждом синтезе ядер дейтерия и трития образуется нейтрон с энергией 14,1 МэВ, что предопределено в физике высоких энергий, а снижение температуры лишь уменьшает часть внешней силы."
Чжао Хунчжи кивнул: "Да, с этой точки зрения, снижение температуры для уменьшения разрушения материала первой стенки нейтронами практически невозможно."
"Анализ данных материалов после нейтронного облучения показывает, что молибден, вольфрам и графен находятся на первой ступени и меньше подвержены влиянию нейтронного облучения, аустенитная сталь и керамика - на второй ступени, а остальные еще хуже."
Профессор Син Сюэсин из Университета Цинхуа, покачал головой: "Молибден не подходит, Цинхуа проводил исследования ранее, и молибден при облучении нейтронами превращается в радиоактивный элемент. Что касается сплавов молибдена, то потребуется больше экспериментов."
"Что касается вольфрама, то сплавы вольфрама могут быть перспективными. В настоящее время в ИТЭР и EAST в качестве материала первой стенки используются сплавы вольфрама, которые обладают хорошей термостойкостью, а продуктами трансмутации являются осмий и рений, что исключает проблему радиоактивности."
Сюй Чуань покачал головой: "Вольфрам, вероятно, тоже не подойдет."
"Термостойкость и продукты трансмутации вольфрама не вызывают проблем, но разница в его физической пластичности и коэффициенте теплового расширения, а также накопление теплового напряжения приведут к образованию трещин внутри материала."
"Это смертельно опасно для реактора управляемого ядерного синтеза."
Услышав, как Сюй Чуань отверг вольфрамовый сплав, лаборатория снова погрузилась в тишину.
Проблема материала первой стенки действительно очень сложна, настолько сложна, что в настоящее время во всем мире не удается найти подходящий.
Ведь в реакторе управляемого синтеза материал первой стенки подвергается интенсивному воздействию высокоэнергетических нейтронов, электромагнитного излучения и высокоэнергетических частиц (дейтерия, трития, гелия и других примесей), испускаемых плазмой.
Теоретически, в коммерческом реакторе токамак нейтронная нагрузка на стенку должна составлять не менее 5 МВт/м2.
Нейтронная нагрузка на стенку - это конструктивный показатель, связанный с плотностью мощности термоядерного реактора, численно равный произведению интенсивности источника термоядерных нейтронов на единицу площади материала первой стенки и энергии нейтронов.
И подавляющее большинство жаропрочных материалов просто не соответствуют требованиям, когда сталкиваются с этими экстремальными и жесткими характеристиками.
Однако, с другой стороны, если бы эту проблему было так легко решить, она бы не оставалась нерешенной до сих пор.
В конце концов, управляемый ядерный синтез - это то, чем занимаются все страны мира, у которых есть такая возможность, и различные технические трудности и проблемы с материалами, безусловно, обсуждались бесчисленное количество раз.
Глядя на данные на экране компьютера, Сюй Чуань немного подумал, а затем сказал: "Я думаю, что нам, возможно, придется изменить подход к выбору материала первой стенки."
Услышав это, все остальные в лаборатории посмотрели на него.
Чжао Хунчжи спросил: "Что ты имеешь в виду?"
Сюй Чуань немного подумал, собрался с мыслями и сказал: "Каждый D-T синтез производит нейтрон с энергией 14,1 МэВ. Поскольку нейтрон не несет заряда, его нельзя удержать магнитным полем, и он будет напрямую бомбардировать материал первой стенки, вызывая повреждения."
"14,1 МэВ - это очень, очень большая энергия. Нужно понимать, что атомы в материалах связаны различными химическими связями, энергия которых составляет примерно от 1 до 10 эВ."
"То есть энергии, которую несет один нейтрон с энергией 14,1 МэВ, достаточно, чтобы разрушить миллионы обычных химических связей, что, несомненно, нанесет материалу непоправимый ущерб."
"А в термоядерном реакторе высокоэнергетические нейтроны подобны пулям, летящим в материал, непрерывно сталкиваясь с атомами металла, разрывая окружающие их химические связи и заставляя атомы покидать свои первоначальные положения, тем самым нарушая упорядоченное расположение атомов."
"Если бы речь шла просто о сопротивлении нейтронам, то, возможно, с этим могли бы справиться конструкции, изготовленные из таких материалов, как бериллий, графит и уран-238. Разве не эти материалы используются в реакторах ядерного деления в качестве отражателей нейтронов?"
"Но в реакторе управляемого ядерного синтеза это не работает."
"Причина проста: нам нужны нейтроны для самообеспечения тритием, иначе имеющихся запасов тритиевого сырья просто не хватит для коммерческого использования управляемого ядерного синтеза."
"Поэтому я лично считаю, что вместо того, чтобы искать материал для сопротивления среди металлических материалов, лучше попробовать обратить внимание на другие материалы."