Физики ИЯФ придумали, как защитить термоядерный реактор

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. 

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. 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.

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. 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.

Подготовила Олеся Юхимчук

Фото предоставлено пресс-службой ИЯФ СО РАН им. Будкера