Ученые Института ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН (ИЯФ 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 был предложен 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, – пояснил 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, – прокомментировал он, –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».