В устройствах термоядерного синтеза плазма, или ионизированный газообразный водород нагревается до экстремальных температур, при которых атомные ядра сталкиваются и сливаются, высвобождая энергию. Однако часть ионов водорода из-за взаимодействия со стенками камеры нейтрализуются и вызывают потерю энергии в плазме. Поддерживать высокую температуру становится сложнее, эффективность малых реакторов термоядерного синтеза значительно падает. Чтобы этого избежать, исследователи решили покрыть стенки реактора слоем материала, улавливающего водород.

Ученые из Университета штата Висконсин применили процесс металлизации нержавеющей стали слоем тантала, материала с чрезвычайно высокой температурой плавления 3017 °C. Испытания в среде, соответствующей условиям термоядерного реактора, показали хороший результат, сообщает EurekAlert. Более того, ученые обнаружили, что новый материал отлично улавливает водород.

«Мы обнаружили, что танталовое покрытие, нанесенное холодным распылением, абсорбирует больше водорода, чем объемный тантал благодаря уникальной структуре этого покрытия, — сказал профессор Кумар Шридхаран, руководитель научной группы, которая внедряет эту технологию в атомную энергетику. — Простота процесса холодного распыления делает ее весьма практичной в применении».

Частицы этого тугоплавкого металла распылялись и расплющивались до состояния блинов на поверхности стенок камеры, которые выполнены из нержавеющей стали. То есть распыление происходило не сплошным слоем, а капельно-точечным, с оставлением границ по контуру каждой капли. Именно эти пограничные участки, как показали эксперименты, и связывают нейтральный водород.

Но это не все плюсы нового решения. Испытания нового материала в опытных реакторах во Франции и Германии показали, что при нагревании до высоких температур пойманный водород выделяется без изменения покрытия. После чего стенки камеры с танталовым напылением можно использовать снова. То есть материал работает как своего рода губка — впитывая и отдавая атомы нейтрального водорода. Другое серьезное преимущество метода холодного распыления в том, что при необходимости реактор можно чинить на месте простым нанесением нового слоя тантала. Не нужно полностью разбирать камеру для замены отдельных стенок, как сейчас.

В дальнейшем инженеры собираются провести тщательные испытания покрытия в новом экспериментальном реакторе, который строится в штате Висконсин.

Специалисты из Ливерморской национальной лаборатории США смогли повторить свое прошлогоднее достижение: в декабре 2022 года они первыми получили больше энергии, чем потратили на реакцию термоядерного синтеза. В ходе эксперимента, состоявшегося 30 июля, ученые вновь достигли положительной по затратам энергии термоядерной реакции синтеза.