Эксперты ИТЭР выбрали материал для защиты от потока термоядерных нейтронов в реакторе
15.03.2019
Ученые Института ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН предложили
защищать конструкции токамака ИТЭР (ITER, International Thermonuclear
Experimental Reactor) от потока термоядерных нейтронов с помощью керамики из
карбида бора. Разные типы керамики были исследованы на экспериментальных
стендах Института, после чего отчет об экспериментах был рассмотрен и утвержден
экспертами ИТЭР. Результаты исследования выложены в базу данных ИТЭР.
Международный экспериментальный термоядерный реактор ИТЭР, призванный
продемонстрировать возможность использования термоядерной энергии в
промышленных масштабах, будет состоять более чем из миллиона элементов, 25 из
них — диагностические порт-плаги. Для примера, экваториальный порт-плаг — это
45-тонная конструкция, которая, с одной стороны, защищает оборудование от
потока нейтронов и снижает радиационный фон в зонах, требующих доступа
специалистов, а с другой — содержит различные диагностические системы для
контроля параметров плазмы, то есть, имеет выходы в горячую область реактора.
Стандартный способ радиационной защиты в реакторах (железоводный) по
различным показателям в данном случае не подходит. Для защиты оборудования от
нейтронов ИЯФ СО РАН предложил альтернативный способ — использование керамики
из карбида бора.
Старший научный сотрудник ИЯФ СО РАН кандидат физико-математических наук
Андрей Шошин отметил, что железоводный способ защиты, используемый в реакторах
деления, не подходит для проекта ИТЭР из-за строгих ограничений по весу всей
конструкции. «Нам был нужен очень легкий материал, — пояснил он, — который
эффективно захватывает как горячие нейтроны, рожденные в результате
термоядерных реакций, так и медленные, рассеянные затем на элементах
конструкций. Материалом, отвечающим всем требованиям, оказался бор. Точнее,
одно из его самых легких соединений — карбид бора. Чтобы предложить
использование керамики из карбида бора в проекте ИТЭР, мы провели элементный анализ,
показавший, что материал не содержит запрещенных примесей, и доказали, что его
можно использовать в вакууме».
Исследования керамики из карбида бора проводились в вакуумной лаборатории
ИЯФ СО РАН. Научный сотрудник ИЯФ СО РАН кандидат технических наук Алексей
Семенов отметил, что материал, используемый для нейтронной защиты, будет
находиться в вакууме, получение которого зависит не только от средств откачки,
но также и от того, как газ выделяется веществом. «Чтобы показать, как керамика
из карбида бора ведет себя в вакууме, — сказал он, — мы проводили опыты по
измерению коэффициента термического газоотделения для двух ее видов —
горячепрессованной и свободноспеченной. Новизна экспериментов в том, что этот
материал никто и никогда не использовал в вакуумных технологиях (только для
создания бронежилетов). Вакуумные свойства керамики из карбида бора были
малоизучены».
После проведения опытов с данным материалом ученые ИЯФ СО РАН предоставили
отчет в головную организацию проекта ИТЭР, которая утвердила керамику из
карбида бора как материал для нейтронной защиты.
«Будкеровский институт принимает участие во многих международных научных
проектах, — прокомментировал руководитель диагностического департамента ИТЭР
Майкл Уолш, — ИТЭР — не исключение. Перед специалистами из Новосибирска стояла
задача – изучить материал, способный обеспечить эффективную радиационную защиту
и снизить радиационный фон, при этом не утяжелив конструкцию токамака».
Керамика из карбида бора, отметил Майкл Уолш, будет использоваться в условиях
высокого вакуума, поэтому для корректных результатов ученым нужно было решить
сложную физическую задачу — измерить коэффициент термического газоотделения
карбида бора. «С ней наши коллеги блестяще справились, — сказа Марк Уолш. —
Следующая задача — разработать технологию производства керамики из карбида бора
для ИТЭР, которая позволит нарабатывать материал в больших объемах по разумной
стоимости. Для ИТЭР ключевыми характеристиками при выборе материала были малый
вес и способность эффективно поглощать нейтроны. Но керамика из карбида бора
может использоваться и в других областях — например, в ядерной промышленности
как поглотитель нейтронов, в аэрокосмической отрасли, которой необходимы новые
композитные материалы с металлической матрицей, на производствах, где требуются
сверхпрочные конструкции».
Пресс-служба ИЯФ СО
РАН
Источник: Наука в Сибири