Термоядерная реакция — это процесс, во время которого лёгкие атомные ядра объединяются в более тяжёлые. Такой процесс происходит в плазме во время её горения. Термоядерный синтез протекает в условиях очень высокой температуры, так как для горения плазмы её нужно разогреть до 10-100 миллионов градусов. В термоядерном реакторе плазма находится в вакуумной камере токамака — специального устройства, которое удерживает плазму с помощью магнитных полей. Таким образом плазма почти не касается стенок камеры, а основное движение частиц горячей плазмы происходит в центре, что позволяет плазме дольше сохранять температуру. Несмотря на то, что плазма мало контактирует со стенками благодаря удержанию магнитным полем, нагрузка на них всё равно большая. Это и нагрев, и поток излучения, исходящий от плазмы, то есть нейтронное и гамма-излучение. Материал стенки в таких условиях может разрушаться. Частицы покрытия стенки в любом случае будут попадать в плазму, но тяжёлые примеси особенно опасны. Такие вещества в плазме приводят к её быстрому остыванию. Найти материал для первой стенки, который отвечал бы всем требованиям, очень сложно.

В исследовательских токамаках широко использовался углерод, но его применение в реакторе затруднено, так как он может захватывать и удерживать в себе изотопы водорода, в том числе радиоактивный тритий. На данный момент в качестве материала для первой стенки камеры в ИТЭР используются вольфрам и бериллий. Вольфрам тугоплавкий и хорошо выдерживает высокие температуры, но это тяжёлый материал, и при попадании в плазму он быстро охлаждает её. Бериллий же очень лёгкий‎, и даже при попадании в плазму, он почти не влияет на её качество. Но пыль бериллия токсична для человека и является сильным канцерогеном. Поэтому коллектив учёных во главе с Анатолием Красильниковым, руководителем ИТЭР-центра (национальное агентство в Российской федерации по сооружению Международного экспериментального термоядерного реактора ИТЭР), ищет альтернативные варианты покрытия стенки токамака. Нужны термостойкие и одновременно лёгкие материалы, обладающие высокой теплопроводностью и электропроводностью, например, специальные виды керамики. Обычно керамика является изолятором, но существуют термостойкие материалы керамического класса, которые обладают достаточной проводимостью.

В исследовании принимают участие Институт ядерной физики им. Г. И. Будкера (ИЯФ СО РАН), Институт гидродинамики имени М. А. Лаврентьева СО РАН, Институт теоретической и прикладной механики им. С. А. Христиановича СО РАН, Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники. Ученые наносят покрытие из специального материала толщиной всего в десятки микрон. Испытания проводятся на установке ВЕТА в ИЯФ СО РАН, где материал подвергают «термоядерным»‎ импульсным нагрузкам. ВЕТА (комплекс для испытания материалов) — это уникальная установка, где можно наблюдать за параметрами вещества непосредственно во время эксперимента. При испытаниях на материал воздействуют лазером, имитируя тепловую нагрузку от плазмы. С помощью системы диагностики можно отслеживать, например, температуру, поглощенное тепло и степень эрозии. Вследствие повреждения поверхности также меняется её шероховатость. На комплексе ВЕТА можно проследить, в какой именно момент начинается эрозия с последующей потерей вещества.

Продолжение в "Подробнее".