«Снежинки» помогут предотвратить униполярные дуги в термоядерных установках

Униполярные дуги являются негативным явлением, возникающим между плазмой и первой стенкой в современных термоядерных установках. Возникновение дуг будет приводить к разрушению стенки реактора, загрязнению и охлаждению плазмы, что недопустимо при осуществлении управляемого термоядерного синтеза. Однако, при всей важности решения этой задачи, механизм инициации дуги все еще не до конца изучен, а потому исследования, связанные с этой проблемой, имеют передовой характер.

Сотрудник кафедры физики плазмы Дмитрий Синельников, находясь на стажировке в Нагойском университете Японии, при изучении инициации зажигания дуги обнаружил похожие на снежинки кратеры от дуг на вольфрамовом нанопухе. Эти данные помогут продвинуться в изучении механизма зажигания дуги, а как следствие и предотвратить ее зажигание.

Новая структура – вольфрамовый нанопух – обнаружена в экспериментах по взаимодействию гелиевой плазмы с вольфрамом как обращенным к плазме материалом термоядерной установки. При таком взаимодействии поверхность вольфрама покрывается огромным количеством волосков диаметром нескольких десятков нанометров и длиной до микрона.

Вольфрамовый пух может возникнуть в диверторной области международного экспериментального термоядерного реактора ИТЭР, поэтому важно не только всесторонне изучить новую структуру – вольфрамовый нанопух, но и заранее определить проблемы, связанные с ее наличием.

Чтобы разобраться в механизме зажигания дуги, ученые кафедры физики плазмы поместили образец, покрытый нанопухом, в вакуумный диод – устройство, позволяющее создавать электрические поля высокой напряженности между исследуемым образцом и металлическим анодом. После того как при определенной напряженности поля в вакуумном промежутке произошел всплеск токов (пробой), эмиссионные свойства поверхности резко изменились.

Причиной такого изменения, как показали измерения с помощью электронного микроскопа, оказались кратеры-«снежинки». Ранее кратеры такого типа на поверхности металла не наблюдались.

«По всей видимости, эти кратеры являются следами дуги, возникшей при микропробое. Благодаря высокой однородности структуры пуха дуга по нему движется хаотично и равномерно по всем направлениям. В структуре кратера-снежинки различимы точечные следы ‑ кратеры от катодных пятен, редко различимые на других материалах, – прокомментировал Дмитрий Синельников. – Таким образом, помимо внешней красоты, кратеры-снежинки могут помочь лучше разобраться в механизме перемещения дуги по поверхности, а факт того, что после образования кратеров эмиссионные токи существенно возрастают, позволяет думать о озможности разработки холодных источников электронов нового типа».

Кратер-«снежинка» на наноструктурированной вольфрамовой поверхности после пробоя