由俄羅斯科學院布德克命名的核物理研究所專家團隊開發并推出了一個實驗臺，使我們能夠研究材料在快速重復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堆第一壁的材料在高溫(超過 1000 度)、強大的脈沖等離子體流和輻射的影響下如何表現。該裝置的獨特之處在于，它可以快速重現反應堆整個預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 個工作周內收集多達 1000 萬個加熱脈沖。在其他裝置中，這大約需要一年的時間。物理學家在制造聚變反應堆時面臨的最重要問題之一是選擇反應室第一壁的材料，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生巨大的熱負荷。
“目前還沒有明確的理論基礎來闡明在何種負載下以及材料如何發生破壞。有足夠多的工作分別研究了熱負荷的影響，但在熱核反應堆的條件下，材料還會額外暴露于快離子和中子。與此同時，材料在綜合影響下的電阻顯著降低，”俄羅斯科學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(國際實驗熱核反應堆)第一壁的最合適材料。作為替代方案，物理學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院核物理研究所創建，其工作原理如下：電子槍產生強頻率脈沖束，然后該束在磁場中傳輸到被測目標，該磁場由兩個線圈。在光束的作用下，靶材表面發生快速循環加熱。
電子束非常適合模擬熱等離子體的熱沖擊所產生的載荷，熱等離子體作用于托卡馬克反應器壁，等離子體中存在所謂的 ELM不穩定性。
“我們的方法適用于所有熱核裝置，因為第一壁和偏濾器上的負載很大程度上取決于等離子體的參數，并且對于不同的裝置來說，其正負相同，”Viktor Kurkuchekov 解釋道。
使用粒子束測試材料的想法很久以前就出現了;類似的研究已經在各種裝置中進行，但之前沒有人能夠模擬在反應堆整個運行期間整個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 裝置進行的。它每 30 秒“發射”一次[光束]，需要產生 1000 萬個脈沖，”俄羅斯科學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計的。有些架子只發射一次，就積累了數十、數百次脈沖。我們希望以每秒 30 次的脈沖頻率運行時實現 1000 萬次加熱循環。這將使材料能夠通過與 ITER 托卡馬克偏濾器在其整個設計壽命期間的預期相當的完整負載循環次數進行測試。目前科學文獻中還沒有關于鎢在這種性質的負載下的疲勞強度的數據，我們將是第一個。”
新裝置的一個顯著特點是它的運行頻率很高。每天工作8-10個小時，大約一到兩周就可以積累約1000萬次脈沖，而不是運行一年。正如 Igor Kandaurov 解釋的那樣，使用調制光束可以在脈沖期間實現目標上所需的負載，同時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驗室現有的電子束裝置的優勢，在其他實驗室中，用連續束掃描目標。
目前，臺架已組裝完畢并進行測試。
“我們進行了第一百萬次發射，并確保能夠達到所需的性能。現在我們需要制備一種診斷復合體，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，即實際應用之外，疲勞失效研究的立場也為等離子體和加速器物理領域的研究開辟了新的機遇。該裝置的橫梁是環形的，這使得它不太穩定。因此，使用光束源的專家開發了一種新的設計。俄羅斯科學院核物理研究所研究員Danila Nikiforov表示：“該源的創新之處在于環形陰極組件，粒子可以從該組件中飛出。如果你采用環形陰極，你會遇到不均勻的情況。”發射，這意味著梁中的橫向電荷分布將不均勻，這將使熱載荷的計算變得復雜。因此，我們想出了一種由鉭制成的特殊內電極，它封閉了環形陰極的內孔。我們通過實驗證明，在高陰極溫度(大約一千五度)下，該電極不會塌陷。這是一項前所未有的創新。”得益于新的設計，研究人員和學生將能夠研究不穩定性的演變，以及使用更清潔、更穩定的光束。Viktor Kurkuchekov報告說，在五十萬個脈沖的規模下，沒有注意到光束退化的跡象。
“我們擔心在所選的實驗裝置設計中，陰極的發射可能會下降，因為陰極會被與光束相互作用后飛離目標的產物污染。但事實證明，我們采取的所有措施都讓我們避免了這種情況。這是一次有趣的經歷，”丹尼拉·尼基福羅夫補充道。
從具體想法到實施的時間打破了紀錄——這項工作僅用了一年就完成了。這要歸功于俄羅斯科學院核物理研究所不同實驗室員工的成功結合，他們共同努力的成果就是實驗臺架。
“最初，我們在核物理研究所都致力于不同的問題，屬于不同的物理學領域，”丹尼拉·尼基福羅夫說，“他們研究等離子體物理學，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問題，該問題涉及強電子束的使用。正是在這種互動過程中，產生了嘗試使用帶有白熾環形陰極的槍來研究熱核計劃材料的耐久性的想法。”
能夠在不同領域的交叉點進行研究是俄羅斯科學院核物理研究所的顯著特征。
“這種合作伙伴關系對核物理研究所來說是一個很大的優勢;并不是每個組織都有機會如此迅速地將來自不同物理領域的專家的經驗和能力結合起來。這是我們研究所的顯著優勢。”Igor Kandaurov 總結道。
