Изучение радиационных повреждений в вольфраме и сплавах W-Re, используемых для защиты первой стенки вакуумной камеры термоядерных реакторов

Использование энергии термоядерного синтеза крайне привлекательно и перспективно. В настоящее время активно проверяется концепция энергетического термоядерного реактора (ТЯР) в рамках международного проекта ИТЭР. Существенной проблемой для создания реальной энергетической установки являются материалы и конструкции первой стенки реактора, расположенные в непосредственной близости к плазме. Именно на них будут приходиться основные радиационные и тепловые воздействия. Материалы, на основе вольфрама обладают рядом преимуществ за счет высокой жаропрочности и достаточной теплопроводности. Непосредственно вольфрам планируется для использования в качестве материала первой стенки в ИТЭР, но он не приспособлен к нагрузкам, планируемым в ТЯР следующего поколения. Уже при дозах радиационного повреждения, характерного для ТЯР, порядка нескольких смещений на атом вольфрам охрупчивается, теряет конструкционные свойства. Для преодоления этих проблем в настоящее время разрабатываются материалы на основе вольфрама, которые должны обеспечить повышенный эксплуатационных ресурс при их использовании в качестве материала первой стенки ТЯР. Для определения радиационной стойкости новых материалов необходима отработка методики моделирования радиационных нагрузок ТЯР и исследование механизмов охрупчивания материалов на основе вольфрама. Микроскопическими причинами деградации свойств являются три фактора: радиационные повреждения, преимущественно создаваемые 14 МэВ-ными нейтронами, радиационное легирование (преимущественно рением), а также накопление газовых элементов в первой стенке (преимущественно изотопов водорода). Все эти факторы приводят к микроскопическим изменениям материала и деградации механических свойств. Информация по комплексному исследованию влияния этих факторов практически отсутствует в литературе по ряду причин. Используемые реакторные установки не имеют требуемого спектра нейтронов в области 14 МэВ. Кроме того исследование радиационно-индуцированной перестройки микроструктуры, обусловленной наработкой рения, крайне затруднительно, поскольку требует применения новейших методик анализа (например атомно-зондовой томографии), которые стали доступны только сейчас. Значительная часть работ направлена на моделирование захвата изотопов водорода без учета перечисленных факторов. Настоящий проект затрагивает цикл исследований по отработке моделирования радиационных повреждений в вольфраме, учитывающего радиационные повреждения, характерные для ТЯР и также учитывающего значительные концентрации рения в вольфраме при его эксплуатации в ТЯР. Для этого будет проведена серия экспериментов по облучению сплавов вольфрама с вариацией содержания рения до 5 ат.%, а облучение будет проводиться ионами W с энергией 101 кэВ/нуклон, что позволит подобрать глубины в области ~ 1 мкм, на которых спектр первично выбитых атомов будет близок к их спектру от нейтронов с энергией 14 МэВ. Важным будет также проведение сеансов облучения при вариации температуры до 500 °С, в области важной для радиационной деградации материалов на основе вольфрама при использовании в качестве первой стенки перспективных ТЯР. Важным элементов настоящего проекта является использование комплекса методик ультрамикроскопического анализа материалов, в том числе облученных: просвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения, атомно-зондовой томографии. Это позволит проанализировать основные структурно-фазовые изменения материалов в широком интервале масштабов, вплоть до атомных и выявить основные факторы потери пластичности вольфрама под облучением. Для моделирования точечных дефектов в вольфрамах и сплавах W-Rh будут проведены сеансы облучения протонами с последующим анализом методами позитронной аннигиляционной спектроскопии. Проведенный комплекс исследований позволит исследовать структурно-фазовые изменения вольфрама, характерные для условий эксплуатации в ТЯР. Эти исследования составят основу для проведения последующего количественного анализа механизмов захвата изотопов водорода первой стенки и газового баланса топливного цикла термоядерного реактора.