Керамика карбида бора поможет в разработке термоядерного реактора

Ученые Института ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) нашли материал, который обеспечит нейтронную защиту в проекте ИТЭР. Исследователи доказали, что именно керамика карбида бора способна защитить установку и людей от нейтронов, которые возникают при работе плазмы. Это открытие будет использовано ИТЭР, а так же может пригодиться в других научных проектах.

ИТЭР – международный термоядерный реактор, важный для развития ядерных технологий проект, который сложен в своей проектировке. По плану в реакторе находится четыре портплага, для каждого из них необходима нейтронная защита. Во-первых, это связано с законодательными требованиями во Франции, где и базируется ИТЭР. Сотрудники и ученые, обеспечивающие работу реактора, должны иметь возможность подходить к установке через неделю после ее выключения. Во-вторых, в установке находятся диагностики, нуждающиеся в нейтронной защите. Однако существует проблема – специальные вырезы для диагностик дают возможность «пролетать» нейтроном. Диагностики, которые необходимо защитить, в тоже время, сами мешают это сделать. Главная проблема, вставшая перед учеными: каким же способом обеспечить нейтронную защиту оборудования и людей?

А.А. Шошин, сотрудник ИЯФ СО РАН, кандидат физико-математических наук:

«Стандартный способ защиты в реакторах – железоводный. Необходимо взять большое количество железа и напитать его водой, в таком случае вода будет действовать как замедлитель, а железо как поглотитель. Но этот вариант не подходит нам, так как есть ограничение по весу всей конструкции. По норме, вес портплага не может превышать 45 тонн, а количество воды используемых на ядерных объектах ограничивается законодательными нормами. Поэтому от этого варианта нам пришлось отказаться. Нам нужен был очень легкий материал, который эффективно захватывал бы нейтроны, как горячие, т.е. рожденные в детекторе в результате реакции, так и медленные, рассеянные и т.д. после этих реакций. И такой материал есть только один – это бор».

Бор обладает небольшой атомной массой, что делает его легким и способностью захватывать нейтроны в различных диапазонах. Но чистых веществ не бывает, и, следовательно, встал вопрос о том, какое соединение бора использовать в установке. Таким образом, ученые обнаружили одно из самых легких соединений бора – керамику карбида бора. Однако, в то время, когда ИТЭР утверждал список материалов, разрешенных к использованию, никто не предполагал, что придется обратиться к керамике карбида бора и он не был внесен в список разрешенных материалов.

«Для того, чтобы использовать керамику карбида бора нам пришлось провести опыты, чтобы доказать, что ее можно использовать. Во-первых, мы провели элементный анализ, чтобы доказать, что керамика не содержит запрещенных примесей. Во-вторых, нам необходимо было доказать, что это вещество можно использовать в вакууме, что мы и сделали».

Исследования керамики карбида бора проводились в вакуумной лаборатории ИЯФ. После проведения опытов с данным материалом, ученые представили отчет в ИТЭР, который позднее утвердил керамику как материал, который будет использоваться для нейтронной защиты. О том, как проводились исследования, нам рассказал А.Семенов.

Алексей Семенов, сотрудник вакуумной лаборатории ИЯФ СО РАН

«На самом деле мы проводили опыты по измерению коэффициента термического газоотделения. Наверное, стоит пояснить, что получение вакуума зависит не только от средств откачки, но также и от того, как веществом выделяется газ. Любое вещество в той или иной степени выделяет газ. Единственное, что если мы говорим о «нержавейке», меди или алюминии, то здесь все понятно – все много раз измерялось, изучалось и, давно понятно, какой вклад они вносят в вакуум. С керамикой карбида бора все по-другому. Ее никто и никогда не использовал в вакуумных технологиях, использовалась она разве что только в бронежилетах. Ее вклад в вакуум нам не был известен, пришлось изучать».

Результаты, полученные ученым, позволили утвердить керамику карбида бора в ИТЭР. По мнению исследователя, изучение этого вещества было довольно интересной работой, так как материал, действительно, с этой точки зрения был малоизучен. Сейчас керамику карбида бора исследуют для ИТЭР, но ученые уверены, что потом непременно кто-нибудь попробует

использовать ее, например, в ускорителях, и тогда данные об этом материале непременно понадобятся.

«Как уже говорилось ранее, мы проводили изучение коэффициента термического газоотделения. Есть два вида керамики карбида бора – горячепрессованная и холодноспеченная. Последняя, имеет более пористую структуру, а, следовательно, может содержать большее количество воздуха. Опыты это подтвердили. Однако нельзя гарантировать абсолютную точность этих измерений, так как в лабораторию были предоставлены 140 образцов горячепрессованной керамики, и всего 15-20 образцов холодноспеченной. Результаты могут быть искажены, из-за недостаточности образцов. Не так давно ИЯФ заказал новую партию керамики для еще нескольких исследований, чтобы более точно определить какой вид керамики подходит для проекта ИТЭР».

Испытания нового материала требуют высокого вакуума, примерно, 10-6 Па. Для проведения исследований с керамикой карбида бора ученые ИЯФ использовали уже существующую установку, которая была изготовлена для другого проекта. Стенд был создан несколько лет назад, и представлял собой две вакуумные камеры, одна из которых покрыта нержавеющей сталью, а вторая – медью. Ученые модернизировали установку, для того, чтобы она подходила под требования, в которых можно проводить испытания керамики карбида бора.

На данный момент времени, учеными, для подтверждения и повторных исследований керамики карбида бора, была заказана новая партия у отечественных производителей. В России производством данного материала занимаются всего три завода, один из которых находится в Новосибирске, а еще два – в Санкт-Петербурге и Твери. Сейчас перед учеными стоит выбор производителя, который строится на нескольких критериях: материал должен быть качественным и стоить не дорого. В зависимости от вида и производителя цена на один и тот же вид керамики карбида бора может варьироваться до 5 раз. Средняя стоимость ее на российском рынке – 300 долларов за кг.

На одни только опыты в ИЯФ ученым потребуется около 4 тонн вещества, а на саму конструкцию гораздо больше.