由俄罗斯科学院布德克命名的核物理研究所专家团队开发并推出了一个实验台，使我们能够研究材料在快速重复热载荷影响下的疲劳失效。这些研究将展示用于制造托卡马克热核反应堆第一壁的材料在高温(超过 1000 度)、强大的脉冲等离子体流和辐射的影响下如何表现。该装置的独特之处在于，它可以快速重现反应堆整个预期使用寿命期间壁将承受的完整荷载周期。它可以在大约 2 个工作周内收集多达 1000 万个加热脉冲。在其他装置中，这大约需要一年的时间。物理学家在制造聚变反应堆时面临的最重要问题之一是选择反应室第一壁的材料，该壁容纳热等离子体并与其直接接触。温度约为 1 亿度的等离子体的粒子流和辐射会对腔室衬里产生巨大的热负荷。
“目前还没有明确的理论基础来阐明在何种负载下以及材料如何发生破坏。有足够多的工作分别研究了热负荷的影响，但在热核反应堆的条件下，材料还会额外暴露于快离子和中子。与此同时，材料在综合影响下的电阻显著降低，”俄罗斯科学院核物理研究所高级研究员 Viktor Kurkuchekov 说道。目前，最难熔金属钨已被选为在建的最大托卡马克装置ITER(国际实验热核反应堆)第一壁的最合适材料。作为替代方案，物理学家正在考虑特殊陶瓷，例如基于硼化合物的陶瓷。为了模拟这些材料在热核载荷下的行为，它们被电子束多次“射击”。该装置由俄罗斯科学院核物理研究所创建，其工作原理如下：电子枪产生强频率脉冲束，然后该束在磁场中传输到被测目标，该磁场由两个线圈。在光束的作用下，靶材表面发生快速循环加热。
电子束非常适合模拟热等离子体的热冲击所产生的载荷，热等离子体作用于托卡马克反应器壁，等离子体中存在所谓的 ELM不稳定性。
“我们的方法适用于所有热核装置，因为第一壁和偏滤器上的负载很大程度上取决于等离子体的参数，并且对于不同的装置来说，其正负相同，”Viktor Kurkuchekov 解释道。
使用粒子束测试材料的想法很久以前就出现了;类似的研究已经在各种装置中进行，但之前没有人能够模拟在反应堆整个运行期间整个壁材料上施加的总载荷。
“到目前为止，核物理研究所的钨破坏研究都是使用 BETA 装置进行的。它每 30 秒“发射”一次[光束]，需要产生 1000 万个脉冲，”俄罗斯科学院核物理研究所的研究员 Igor Kandaurov 评论道，“新装置是为大量脉冲而设计的。有些架子只发射一次，就积累了数十、数百次脉冲。我们希望以每秒 30 次的脉冲频率运行时实现 1000 万次加热循环。这将使材料能够通过与 ITER 托卡马克偏滤器在其整个设计寿命期间的预期相当的完整负载循环次数进行测试。目前科学文献中还没有关于钨在这种性质的负载下的疲劳强度的数据，我们将是第一个。”
新装置的一个显著特点是它的运行频率很高。每天工作8-10个小时，大约一到两周就可以积累约1000万次脉冲，而不是运行一年。正如 Igor Kandaurov 解释的那样，使用调制光束可以在脉冲期间实现目标上所需的负载，同时平均光束功率保持相对较低，这意味着安装更紧凑、更简单且更便宜。这是它相对于其他实验室现有的电子束装置的优势，在其他实验室中，用连续束扫描目标。
目前，台架已组装完毕并进行测试。
“我们进行了第一百万次发射，并确保能够达到所需的性能。现在我们需要制备一种诊断复合体，以便直接观察和研究辐照过程中材料表面的改性。因此，最有趣的还在后头。未来，计划测试已被 ITER 采用的钨以及其他有前途的材料，”Viktor Kurkuchekov 解释道。除了热核材料科学，即实际应用之外，疲劳失效研究的立场也为等离子体和加速器物理领域的研究开辟了新的机遇。该装置的横梁是环形的，这使得它不太稳定。因此，使用光束源的专家开发了一种新的设计。俄罗斯科学院核物理研究所研究员Danila Nikiforov表示：“该源的创新之处在于环形阴极组件，粒子可以从该组件中飞出。如果你采用环形阴极，你会遇到不均匀的情况。”发射，这意味着梁中的横向电荷分布将不均匀，这将使热载荷的计算变得复杂。因此，我们想出了一种由钽制成的特殊内电极，它封闭了环形阴极的内孔。我们通过实验证明，在高阴极温度(大约一千五度)下，该电极不会塌陷。这是一项前所未有的创新。”得益于新的设计，研究人员和学生将能够研究不稳定性的演变，以及使用更清洁、更稳定的光束。Viktor Kurkuchekov报告说，在五十万个脉冲的规模下，没有注意到光束退化的迹象。
“我们担心在所选的实验装置设计中，阴极的发射可能会下降，因为阴极会被与光束相互作用后飞离目标的产物污染。但事实证明，我们采取的所有措施都让我们避免了这种情况。这是一次有趣的经历，”丹尼拉·尼基福罗夫补充道。
从具体想法到实施的时间打破了纪录——这项工作仅用了一年就完成了。这要归功于俄罗斯科学院核物理研究所不同实验室员工的成功结合，他们共同努力的成果就是实验台架。
“最初，我们在核物理研究所都致力于不同的问题，属于不同的物理学领域，”丹尼拉·尼基福罗夫说，“他们研究等离子体物理学，而我们研究加速器。我们向等离子体同事寻求帮助解决我们的一个问题，该问题涉及强电子束的使用。正是在这种互动过程中，产生了尝试使用带有白炽环形阴极的枪来研究热核计划材料的耐久性的想法。”
能够在不同领域的交叉点进行研究是俄罗斯科学院核物理研究所的显著特征。
“这种合作伙伴关系对核物理研究所来说是一个很大的优势;并不是每个组织都有机会如此迅速地将来自不同物理领域的专家的经验和能力结合起来。这是我们研究所的显着优势。”Igor Kandaurov 总结道。
