RU2850060C1 - Improved materials for neutron shielding based on tungsten biride - Google Patents
Improved materials for neutron shielding based on tungsten birideInfo
- Publication number
- RU2850060C1 RU2850060C1 RU2023119059A RU2023119059A RU2850060C1 RU 2850060 C1 RU2850060 C1 RU 2850060C1 RU 2023119059 A RU2023119059 A RU 2023119059A RU 2023119059 A RU2023119059 A RU 2023119059A RU 2850060 C1 RU2850060 C1 RU 2850060C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- boron
- content
- neutron shielding
- tungsten
- neutron
- Prior art date
Links
Abstract
Description
Область техники, к которой относится изобретениеField of technology to which the invention relates
Настоящее изобретение относится к материалам нейтронной защиты для термоядерных реакторов. В частности, это изобретение относится к нейтронной защите, содержащей борид вольфрама.The present invention relates to neutron shielding materials for thermonuclear reactors. Specifically, this invention relates to neutron shielding containing tungsten boride.
Предпосылки изобретенияBackground of the invention
Проблема производства термоядерной энергии чрезвычайно сложна. Нейтроны при ядерном синтезе образуются тогда, когда дейтериево-тритиевую (D-T) или дейтериево-дейтериевую (D-D) плазму нагревают так, что ядра имеют достаточную энергию для преодоления кулоновского электростатического отталкивания, чтобы слиться вместе, высвобождая энергетические нейтроны и продукты ядерного синтеза (например, 4He для D-T). На сегодняшний день самым многообещающим способом достижения этого является применение устройства токамака; в традиционном подходе к ядерному синтезу в токамаке (воплощаемом в ITER) плазма должна иметь большое время удержания, высокую температуру и высокую плотность для оптимизации этого процесса.The problem of producing fusion energy is extremely complex. Neutrons are produced in nuclear fusion when deuterium-tritium (DT) or deuterium-deuterium (DD) plasma is heated to the point where the nuclei have sufficient energy to overcome Coulomb electrostatic repulsion and fuse together, releasing energetic neutrons and fusion products (e.g., 4 He for DT). Currently, the most promising way to achieve this is through the use of a tokamak device; in the traditional approach to tokamak fusion (as embodied in ITER), the plasma must have a long confinement time, high temperature, and high density to optimize the process.
Токамак характеризуется сочетанием сильного тороидального магнитного поля BT, высокого тока плазмы Ip и, обычно, большого объема плазмы и значительного сопутствующего нагрева, чтобы обеспечить настолько горячую стабильную плазму, что может происходить ядерный синтез. Сопутствующий нагрев (например, посредством инжекции десятков мегаватт пучка нейтральных частиц высокой энергии H, D или T) необходим для увеличения температуры до достаточно высоких значений, требуемых для возникновения ядерного синтеза и/или для поддержания тока плазмы.A tokamak is characterized by a combination of a strong toroidal magnetic field B T , a high plasma current I p , and, typically, a large plasma volume and significant co-heating to ensure a stable plasma hot enough to support nuclear fusion. Co-heating (e.g., by injecting tens of megawatts of high-energy neutral particle beams (H, D, or T)) is necessary to increase the temperature to values high enough to initiate nuclear fusion and/or maintain the plasma current.
Для того, чтобы гарантировать как можно большую компактность реактора (что обеспечивает более высокую эффективность, особенно для конфигурации плазмы "сферического токамака"), следует как можно больше уменьшить толщину радиационной защиты, все еще сохраняя достаточную защиту для других компонентов. Минимизация расстояния между плазмой и катушками возбуждения обеспечивает возможность более сильного магнитного поля в плазме с более низким током в катушках.To ensure the reactor's compactness (which ensures higher efficiency, especially for the "spherical tokamak" plasma configuration), the radiation shielding thickness should be reduced as much as possible while still providing adequate shielding for other components. Minimizing the distance between the plasma and the excitation coils allows for a stronger magnetic field in the plasma with a lower current in the coils.
Фигура 1 показывает разрез центральной колонны и иллюстрирует те проблемы, которые защитный материал должен преодолевать. Центральная колонна содержит центральный сердечник из катушек 11 с высокотемпературным сверхпроводником (ВТСП) и внешний слой защиты 12. В зависимости от материала, используемого для защиты, на внешней поверхности может присутствовать слой окисленного защитного материала 13, если экран подвергается воздействию воздуха во время работы при высокой температуре. Существуют три главные причины повреждения, которые возникают из-за плазмы 14. Во-первых, высокоэнергетические нейтроны 15, сгенерированные реакцией ядерного синтеза, могут по существу выбивать атомы из структуры защиты, создавая каскады 16 повреждения, которые распространяются сквозь материал и ухудшают свойства материалов (такие как механические, термические или сверхпроводящие свойства). Во-вторых, тепловой поток 17 от реакции ядерного синтеза значителен и может повреждать защиту вследствие термических напряжений, привносимых неравномерным нагревом и ВТСП-сердечником, поскольку более высокие температуры уменьшают ток, который может переноситься при сохранении сверхпроводимости, и могут привести к резкому увеличению сопротивления катушки, вызывая потерю сверхпроводимости магнита. Наконец, энергетические частицы плазмы будут вызывать абляцию 18 внешней поверхности защиты. Это не только вызывает повреждение в самой защите, но и может загрязнять плазму, если защита подвергается ее непосредственному воздействию. Желательно иметь защитный материал, который может сопротивляться этим эффектам, а также предотвращать достижение нейтронами сверхпроводящих катушек.Figure 1 shows a cross-section of the central column and illustrates the challenges that the shielding material must overcome. The central column contains a central core of high-temperature superconductor (HTS) coils 11 and an outer shielding layer 12. Depending on the shielding material used, a layer of oxidized shielding material 13 may be present on the outer surface if the shield is exposed to air during high-temperature operation. There are three main causes of damage that arise from plasma 14. First, high-energy neutrons 15 generated by the nuclear fusion reaction can essentially knock atoms out of the shielding structure, creating damage cascades 16 that propagate through the material and degrade material properties (such as mechanical, thermal, or superconducting properties). Secondly, the heat flux 17 from the nuclear fusion reaction is significant and can damage the shielding due to thermal stresses introduced by uneven heating and the HTS core. Higher temperatures reduce the current that can be carried while maintaining superconductivity and can lead to a sharp increase in coil resistance, causing the magnet to lose superconductivity. Finally, energetic plasma particles will cause ablation 18 of the shielding's outer surface. This not only causes damage to the shielding itself but can also contaminate the plasma if the shielding is directly exposed to it. It is desirable to have a shielding material that can resist these effects and also prevent neutrons from reaching the superconducting coils.
В современных защитных конструкциях также часто используются водяные каналы как для охлаждения защиты, так и для замедления нейтронов (что увеличивает эффективность защиты). Однако это создает проблемы, поскольку с водой трудно обращаться во время утилизации или технического обслуживания установки – из-за рисков работающих под давлением систем, загрязнения, активации и испарения воды, а также возможности попадания воды из реактора в окружающую среду при неправильном обращении.Modern containment structures also often use water channels for both cooling the shield and moderating neutrons (which increases the shield's effectiveness). However, this creates problems, as water is difficult to manage during facility decommissioning or maintenance, due to the risks of pressurized systems, contamination, activation, and evaporation of the water, as well as the potential for reactor water to leak into the environment if improperly handled.
Следовательно, существует потребность в эффективной нейтронной защите, которая не требует воды для замедления.Therefore, there is a need for an effective neutron shield that does not require water for moderation.
Сущность изобретенияThe essence of the invention
Согласно первому аспекту изобретения предусмотрено применение пентаборида дивольфрама, W2B5, в нейтронной защите.According to a first aspect of the invention, the use of tungsten pentaboride, W 2 B 5 , in neutron shielding is provided.
Согласно второму аспекту предусмотрена нейронная защита, содержащая пентаборид дивольфрама, W2B5.According to the second aspect, neural protection is provided, containing ditungsten pentaboride, W 2 B 5 .
Согласно третьему аспекту предусмотрен термоядерный реактор-токамак, содержащий плазменную камеру, катушку тороидального поля, множество катушек полоидального поля и нейтронную защиту, расположенную между внутренностью плазменной камеры и катушками тороидального или полоидального поля, при этом нейтронная защита является защитой согласно второму аспекту.According to a third aspect, a tokamak fusion reactor is provided, comprising a plasma chamber, a toroidal field coil, a plurality of poloidal field coils, and a neutron shield located between the interior of the plasma chamber and the toroidal or poloidal field coils, wherein the neutron shield is the shield according to the second aspect.
Краткое описание чертежейBrief description of the drawings
Фигура 1 – схематичная иллюстрация экранирующего слоя в центральной колонне токамака;Figure 1 is a schematic illustration of the shielding layer in the central column of the tokamak;
Фигура 2 – график, показывающий нейтронный поток для защитных материалов из борида и карбида вольфрама;Figure 2 is a graph showing the neutron flux for tungsten boride and tungsten carbide shielding materials;
Фигура 3 – график, показывающий выделение энергии от нейтронов и от гамма-лучей для экранирующих материалов из борида и карбида вольфрама;Figure 3 is a graph showing the energy release from neutrons and gamma rays for tungsten boride and tungsten carbide shielding materials;
Фигура 4 – график, показывающий атомные плотности в материалах защиты для вольфрама, для бора или углерода и их сумму;Figure 4 is a graph showing the atomic densities in shielding materials for tungsten, for boron or carbon and their sum;
Фигура 5 – график, показывающий долю изотопа 10B, остающегося после 30 лет работы для материалов из борида вольфрама, как функцию содержания бора на различных уровнях в нейтронной защите;Figure 5 is a graph showing the fraction of 10B isotope remaining after 30 years of service for tungsten boride materials as a function of boron content at various levels in neutron shielding;
Фигура 6 – график, показывающий пиковый нейтронный поток в ВТСП-сердечнике (как на фигуре 1) для различных изотопных концентраций изотопа 10B в материалах защиты.Figure 6 is a graph showing the peak neutron flux in a HTS core (as in Figure 1) for different isotopic concentrations of 10B in the shielding materials.
Подробное описаниеDetailed description
Предыдущие концепции нейтронной защиты были основаны на богатых вольфрамом карбидах и/или боридах вольфрама. Вольфрам является эффективным поглотителем фотонов вследствие своего высокого атомного числа Z, а также типично высокой плотности соединений вольфрама. Вольфрам также эффективен в качестве неупругого рассеивателя для снижения энергий падающих нейронов с ~14 МэВ. Карбид вольфрама обеспечивает дополнительные преимущества, состоящие в том, что углерод является довольно эффективным замедлителем нейтронов (вкратце, замедляющим нейтроны, облегчая их поглощение вольфрамом). Борид вольфрама обеспечивает дополнительные преимущества, состоящие в том, что бор является эффективным поглотителем низкоэнергетических нейтронов, которые могут быть способны проникать через выполненную в целом на основе вольфрама защиту.Previous neutron shielding concepts were based on tungsten-rich tungsten carbides and/or tungsten borides. Tungsten is an effective photon absorber due to its high atomic number Z and the typically high density of tungsten compounds. Tungsten is also effective as an inelastic scatterer, reducing the energies of incident neurons with energies of ~14 MeV. Tungsten carbide offers the additional advantage of being a fairly effective neutron moderator (in short, it slows neutrons, making them easier for tungsten to absorb). Tungsten boride offers the additional advantage of being an effective absorber of low-energy neutrons, which may be able to penetrate shielding made entirely of tungsten.
В ходе изучения возможных составов карбидов и боридов вольфрама было неожиданно обнаружено, что конкретный стехиометрический состав борида вольфрама, W2B5 (пентаборид дивольфрама), является значительно более эффективным защитным материалом, чем другие бориды или карбиды вольфрама, как для гамма-лучей, так и для нейтронов, при диапазонах интенсивностей и энергий, ожидаемых в реакторе ядерного синтеза типа токамак.During the study of possible tungsten carbide and boride compositions, it was unexpectedly discovered that a particular stoichiometric composition of tungsten boride, W2B5 ( tungsten pentaboride), is a significantly more effective shielding material than other tungsten borides or carbides for both gamma rays and neutrons, at the intensity and energy ranges expected in a tokamak-type nuclear fusion reactor.
Фигура 2 показывает результаты моделирования различных материалов на основе борида вольфрама (с вольфрамом и карбидом вольфрама в качестве сравнений) на поглощение нейтронов, либо с 201, либо без 202 слоя водного замедлителя. Результатом измерения является нейтронный поток на высокотемпературную сверхпроводящую ВТСП центральную колонну термоядерного реактора токамак, причем чем ниже значения, тем лучше. Шкала логарифмическая. Рассматриваются бориды вольфрама W2B, WB, W2B5 и WB4. Дополнительно, рассматриваются карбид вольфрама (WC, указанный горизонтальными линиями от оси Y) и более сложный композитный материал, B0,329C0,074Cr0,024Fe0,274W0,299.Figure 2 shows the results of modeling the neutron absorption of various tungsten boride-based materials (with tungsten and tungsten carbide as references), either with or without a 202 water moderator layer. The measured result is the neutron flux onto the high-temperature superconducting (HTSC) central column of a tokamak fusion reactor, with lower values being better. The scale is logarithmic. The tungsten borides considered are W 2 B, WB, W 2 B 5 , and WB 4 . Additionally, tungsten carbide (WC, indicated by horizontal lines from the y-axis) and a more complex composite material, B 0.329 C 0.074 Cr 0.024 Fe 0.274 W 0.299 , are considered.
Как можно видеть из диаграммы, W2B5 значительно превосходит другие составы по поглощению нейтронов. Фактически, он является достаточно хорошим поглотителем, эффективность которого повышается, когда водный замедлитель заменяется большим количеством W2B5, поскольку замедляющий эффект воды не обеспечивает достаточное усиление оставшемуся W2B5, учитывая материал, удаленный для освобождения места для замедлителя, - т.е. обычно наличие замедлителя позволяло бы поглощать больше нейтронов из-за большего сечения поглощения более медленных нейтронов, но этот эффект полностью компенсируется повышенной поглощающей способностью W2B5.As can be seen from the diagram, W2B5 significantly outperforms other compounds in neutron absorption. In fact, it is a fairly good absorber, the efficiency of which increases when the water moderator is replaced by more W2B5 , since the moderating effect of the water does not provide sufficient reinforcement to the remaining W2B5 , given the material removed to make room for the moderator—i.e., normally the presence of a moderator would allow more neutrons to be absorbed due to the larger absorption cross-section for slower neutrons, but this effect is completely offset by the increased absorption capacity of W2B5 .
Фигура 3 показывает фактическое выделение энергии на ВТСП-материале в том же моделировании, что и на фигуре 2, как для непосредственного выделения энергии нейтронами, так и для вторичного выделения энергии гамма-лучами. Показанные графики относятся к выделению энергии гамма-лучами с 301 и без 302 водного замедлителя, а также к выделению энергии нейтронами с 303 и без 304 водного замедлителя. Как и ранее, чем ниже значения, тем лучше, и на график нанесены те же соединения. На этой диаграмме можно видеть, что W2B5 опять работает наилучшим образом во всех случаях. Непосредственное выделение энергии нейтронами является более высоким без водного замедлителя, несмотря на то, что нейтронный поток более низок, поскольку нейтроны, которые достигают ВТСП, имеют более высокую энергию. Однако вторичное выделение за счет гамма-лучей является более низким для W2B5 без замедлителя, и, учитывая логарифмическую шкалу графика, будет понятно, что суммарное выделение энергии в этом случае также будет более низким.Figure 3 shows the actual energy deposition on the HTSC material in the same simulation as Figure 2, for both direct neutron deposition and secondary gamma-ray deposition. The graphs shown are for gamma-ray deposition with and without a 301 water moderator, and for neutron deposition with and without a 304 water moderator. As before, lower values are better, and the same compounds are plotted. In this diagram, it can be seen that W2B5 again performs best in all cases. Direct neutron deposition is higher without a water moderator , despite the neutron flux being lower, since the neutrons that reach the HTSC have higher energies. However , the secondary gamma-ray release is lower for W2B5 without a moderator, and given the logarithmic scale of the graph, it will be clear that the total energy release in this case will also be lower.
Теоретически предполагается, что это происходит из-за особенно плотно упакованной кристаллической структуры W2B5, которая имеет аномально высокую плотность среди боридов вольфрама (~13 г/см3) и, следовательно, более высокую плотность числа атомов (т.е. число атомов на единицу объема) как вольфрама, так и бора, чем та, которую можно было бы ожидать в ином случае, по сравнению с другими стехиометриями. Это показано на фигуре 4, которая показывает атомную плотность (в атомах на кубический сантиметр) вольфрама 401 и бора или углерода 402, и их суммы 403 для различных стехиометрий чистого вольфрама, карбида вольфрама и борида вольфрама. Как можно видеть, W2B5 имеет наивысшую атомную плотность бора из всех рассматриваемых стехиометрий и находится намного выше линии тренда для атомной плотности вольфрама. Суммарная атомная плотность, включая вольфрам и бор, также наивысшая. Это важно, поскольку и бор, и вольфрам играют важные роли в защите.This is theoretically proposed to be due to the particularly close-packed crystal structure of W 2 B 5 , which has an anomalously high density among tungsten borides (~13 g/cm 3 ) and, consequently, a higher atomic number density (i.e., the number of atoms per unit volume) of both tungsten and boron than would otherwise be expected, compared with other stoichiometries. This is illustrated in Figure 4, which shows the atomic density (in atoms per cubic centimeter) of tungsten 401 and boron or carbon 402, and their sums 403, for various stoichiometries of pure tungsten, tungsten carbide, and tungsten boride. As can be seen, W 2 B 5 has the highest atomic density of boron of all the stoichiometries considered and lies well above the trend line for the atomic density of tungsten. The total atomic density, including tungsten and boron, is also the highest. This is important because both boron and tungsten play important roles in protection.
Следует отметить, что в научном сообществе ведется некоторая дискуссия относительно точной структуры W2B5. Известно, что существует фаза борида вольфрама, содержащая чередующиеся слои бора, состоящие из графитоподобных плоских слоев и конденсированных циклогексаноподобных цепочек с расположенными между слоями бора атомами вольфрама, в структуре с пространственной группой P63/mmc. Чтобы эта структура стала W2B5, центр каждого циклогексаноподобного кольца должен содержать дополнительный атом бора, и споры сосредоточены вокруг того, является ли эта компоновка устойчивой. В том случае, если дополнительный атом бора полностью отсутствует, структуру было бы правильно идентифицировать как W2B4, а в том случае, если имеет место только частичное занятие (т.е. атом бора присутствует в тех или иных ячейках структуры, но не во всех), структуру было бы правильно идентифицировать как W2B4+x. Однако W2B5 является самым общепринятым описанием этой структуры в литературе, и именно поэтому этот термин используется здесь. В случае, если правильна структура W2B4 или W2B4+x, доля бора в такой фазе будет слегка ниже, чем описанная здесь, но общие выводы о том, что это наилучшая фаза для применения в нейтронной защите, остаются теми же, и упоминания W2B5 в данном документе могут быть заменены упоминаниями правильной формулы. Другие фазы могут присутствовать в этом бориде в меньших долях, но желательная фаза (т.е. W2B4, W2B4+x или W2B5) будет преобладать.It should be noted that there is some debate in the scientific community regarding the exact structure of W 2 B 5 . It is known that a tungsten boride phase exists containing alternating boron layers consisting of graphite-like planar sheets and fused cyclohexane-like chains with tungsten atoms interspersed between the boron layers, in a structure with the space group P6 3 /mmc. For this structure to be W 2 B 5 , the center of each cyclohexane-like ring must contain an extra boron atom, and the debate centers on whether this arrangement is stable. In the case where the extra boron atom is completely absent, the structure would be correctly identified as W 2 B 4 , while in the case where there is only partial occupancy (i.e., a boron atom is present in some cells of the structure, but not all), the structure would be correctly identified as W 2 B 4+x . However , W2B5 is the most commonly accepted description of this structure in the literature, and that is why this term is used here. If the W2B4 or W2B4 +x structure is correct, the proportion of boron in such a phase will be slightly lower than that described here, but the general conclusions that this is the best phase for neutron shielding applications remain the same, and references to W2B5 in this document can be replaced by references to the correct formula. Other phases may be present in this boride in smaller proportions, but the desired phase (i.e. , W2B4 , W2B4 +x, or W2B5 ) will predominate.
В целом, W2B5 может быть введен в любые существующие конструкции, использующие другие составы борида вольфрама. Например, он может быть введен в виде твердого спеченного W2B5 или в виде вольфрамборидного компонента в цементированном бориде вольфрама, содержащем частицы W2B5 в металлическом связующем. Хотя вышеприведенные результаты показывают, что замедлитель не является обязательным, защита на основе W2B5 может все еще быть снабжена замедлителем, таким как вода или другой водородсодержащий материал, или любым другим подходящим замедлителем нейтронов, известным в данной области техники. Например, наличие замедлителя может быть полезным, когда W2B5 входит в состав композитного материала, такого как металлокерамика, керамика или цементированный борид вольфрама, так что сочетание композитного материала и замедлителя обеспечивает лучшее поглощение нейтронов в целевом диапазоне, чем один лишь композитный материал. Замедлитель может также быть полезен там, где ожидаемая энергия нейтронов отличается от нейтронов ядерного синтеза с энергией 14,1 МэВ, использованных для обсуждавшихся выше моделирований, и/или где вода (или другой замедляющий материал) используется и в качестве замедлителя, и для охлаждения нейтронной защиты или других близлежащих компонентов.In general, W2B5 can be incorporated into any existing designs using other tungsten boride compositions. For example, it can be incorporated as solid sintered W2B5 or as a tungsten boride component in a cemented tungsten boride containing W2B5 particles in a metallic binder. Although the above results indicate that a moderator is not necessary, W2B5 - based shielding can still be provided with a moderator, such as water or another hydrogen-containing material, or any other suitable neutron moderator known in the art. For example, the presence of a moderator can be beneficial when W2B5 is part of a composite material, such as a cermet, ceramic, or cemented tungsten boride, so that the combination of the composite material and the moderator provides better neutron absorption in the target range than the composite material alone. A moderator may also be useful where the expected neutron energy differs from the 14.1 MeV fusion neutrons used for the simulations discussed above, and/or where water (or other moderating material) is used both as a moderator and to cool the neutron shield or other nearby components.
W2B5 может быть предусмотрен в качестве одного компонента композитной защиты, например, включающей другие материалы, чтобы обеспечивать дополнительное поглощение гамма-лучей, нейтронов с различными энергиями или любых других типов излучения. Защита с W2B5 может содержать конструктивные компоненты и охлаждающие компоненты, которые могут быть выполнены из любого подходящего материала. W2B5 can be used as a component of composite shielding, for example, incorporating other materials to provide additional absorption of gamma rays, neutrons of various energies, or any other types of radiation. Shielding with W2B5 can include structural components and cooling components, which can be made of any suitable material.
Следует понимать, что преимущества W2B5 заключаются, главным образом, в его характеристиках в качестве защитного материала, а не в том, что он специфичен для какого-либо конкретного применения защиты (например, геометрии или структуры).It should be understood that the advantages of W 2 B 5 lie primarily in its performance as a protective material, rather than in its specificity to any particular protective application (e.g. geometry or structure).
Повышенное поглощение нейтронов при данной толщине нейтронной защиты может быть использовано для обеспечения улучшенного поглощения у защиты заданной толщины по сравнению с другими решениями на основе борида вольфрама, или оно может быть использовано для обеспечения аналогичной степени нейтронной защиты с уменьшенной толщиной по сравнению с другими решениями на основе борида вольфрама. Последнее особенно полезно в таких вариантах применения, как центральная колонна термоядерного реактора - сферического токамака, где минимизация толщины защиты (как часть минимизации общего диаметра центральной колонны) является важной целью проектирования.The increased neutron absorption at a given neutron shielding thickness can be used to provide improved absorption for a given shielding thickness compared to other tungsten boride-based solutions, or it can be used to provide a similar degree of neutron shielding with a reduced thickness compared to other tungsten boride-based solutions. The latter is particularly useful in applications such as the central column of a fusion reactor—a spherical tokamak—where minimizing shielding thickness (as part of minimizing the overall diameter of the central column) is an important design goal.
Потенциальная проблема существующих защит, которые извлекают выгоду из поглощения нейтронов бором, заключается в том, что поглощающий изотоп 10B преобразуется в 7Li и альфа-частицу 4He, так что доля изотопа 10B постепенно снижается со временем. Это проиллюстрировано на фигуре 5, которая показывает долю бора-10, остающегося для нескольких боридов вольфрама после 30 лет работы при 200 МВт, в зависимости от материала для нескольких положений в пределах защиты от обращенной к плазме поверхности 501 до обращенной к ВТСП-сердечнику поверхности 505, с промежуточными глубинами 502, 503, 504, как показано в схеме 500. Относительная потеря является наивысшей на внешней, обращенной к плазме поверхности, где нейтронный поток наивысший, и уменьшается по защите. W2B5 демонстрирует наилучшие характеристики из всех рассмотренных в этом отношении материалов, с наименьшим снижением доли содержания изотопа по всей защите.A potential problem with existing shields that benefit from the absorption of neutrons by boron is that the absorbing isotope 10B is converted to 7Li and the alpha particle 4He , so that the fraction of the isotope 10B gradually decreases with time. This is illustrated in Figure 5, which shows the fraction of boron-10 remaining for several tungsten borides after 30 years of operation at 200 MW, depending on the material, for several positions within the shield from the plasma-facing surface 501 to the HTS core-facing surface 505, with intermediate depths 502, 503, 504, as shown in diagram 500. The relative loss is highest at the outer, plasma-facing surface, where the neutron flux is highest, and decreases across the shield. W2B5 exhibits the best performance of all the materials considered in this regard, with the smallest decrease in the fraction of the isotope content throughout the shield.
Природный бор имеет изотопное содержание поглощающего нейтроны 10B в 19-20% по сравнению с 80% 11B (другие изотопы бора имеют период полураспада порядка от десятков до сотен миллисекунд, самое большее). И хотя применение природного бора или другого бора с 18-20% 10B будет достаточным во многих вариантах применения, характеристики боридных защит могут быть повышены путем обогащения по содержанию 10B, т.е. обеспечения большей доли 10B, чем присутствует во встречающемся в природе боре, например, по меньшей мере 25% 10B. Влияние этого на пиковый нейтронный поток в ВТСП-сердечнике для каждого из материалов на основе борида вольфрама показано на фигуре 6, для пропорций 10B/Bвсего 0% 601, 20% 602, 40% 603, 60% 604, 80% 605 и 100% 606. Более высокие процентные доли 10B улучшают характеристики защиты более чем в 2 раза для каждого из боридов вольфрама, но W2B5 остается наилучшим боридом вольфрама при всех уровнях обогащения. Аналогичные результаты получены для выделения энергии нейтронами и гамма-лучами в сердечнике (не показано).Natural boron has an isotopic content of the neutron-absorbing 10 B of 19-20%, compared to 80% for 11 B (other boron isotopes have half-lives of tens to hundreds of milliseconds, at most). While the use of natural boron or other boron with 18-20% 10 B will be sufficient for many applications, the performance of boride shields can be improved by enriching them in 10 B, i.e., providing a higher proportion of 10 B than is present in naturally occurring boron, for example at least 25% 10 B. The effect of this on the peak neutron flux in the HTS core for each of the tungsten boride materials is shown in Figure 6, for 10 B/B proportions as low as 0% 601, 20% 602, 40% 603, 60% 604, 80% 605, and 100% 606. Higher percentages of 10 B improve the shielding performance by more than a factor of 2 for each of the tungsten borides, but W 2 B 5 remains the best tungsten boride at all enrichment levels. Similar results are obtained for the neutron and gamma ray energy deposition in the core (not shown).
W2B5 может быть сформирован как чистый твердый материал посредством таких методов производства, как спекание, или плавление и литье. Спекание W2B5 может быть осуществлено искровым плазменным спеканием, горячим прессованием порошков W2B5, спеканием без давления или другими подходящими способами. W2B5 can be formed as a pure solid material through production methods such as sintering or melting and casting. Sintering of W2B5 can be accomplished by spark plasma sintering, hot pressing of W2B5 powders, pressureless sintering, or other suitable methods.
Альтернативно, относительно недорогой технологией изготовления будет композитный цементированный борид вольфрама.An alternative, relatively inexpensive manufacturing technology would be composite cemented tungsten boride.
Чистый W2B5 имеет отличные свойства нейтронной защиты, но обычно является хрупким. Чтобы смягчать это, W2B5 может быть предусмотрен в армированном металлом композите, чтобы обеспечить соответствующие физические свойства для конструкционного (например, несущего нагрузку) применения композита W2B5.Pure W2B5 has excellent neutron shielding properties, but is typically brittle. To mitigate this, W2B5 can be incorporated into a metal - reinforced composite to provide the appropriate physical properties for structural (e.g., load-bearing) applications of the W2B5 composite .
Добавочный легирующий металлический элемент для улучшения структурных характеристик должен быть выбран таким образом, чтобы он сильно не реагировал с боридами, поскольку часть преимуществ W2B5 происходит от его структуры, и эта структура будет нарушена или утрачена, если большая доля ее прореагирует с другими элементами в композите с образованием других боридов. В частности, подходящие металлы для обеспечения W2B5 в армированном металлом композите включают переходные металлы (например, вольфрам), предпочтительно переходные металлы из группы 11 Периодической таблицы (медь, серебро и золото), цинк или свинец, более предпочтительно – медь. Также подходят сплавы, в основном состоящие из таких металлов, например, бронзы и латуни, такие как томпак, фосфористая или алюминиевая бронза, красная латунь, бериллиево-медный сплав и мельхиор, или сплавы золота и/или серебра, такие как электрум или голоид. Хотя алюминий действительно реагирует с образованием боридов, формирование значительных количеств WAlB требует особых составов и скоростей охлаждения. По сути, регулируя составы и скорости охлаждения, чтобы ограничить формирование WAlB, алюминий можно использовать в качестве добавочного легирующего металлического элемента.The additional alloying metal element for improving the structural characteristics should be chosen so that it does not react strongly with the borides, since part of the advantages of W2B5 derives from its structure, and this structure will be disrupted or lost if a large proportion of it reacts with other elements in the composite to form other borides . In particular, suitable metals for providing W2B5 in a metal-reinforced composite include transition metals (e.g., tungsten), preferably the transition metals from Group 11 of the Periodic Table (copper, silver, and gold), zinc or lead, and more preferably copper. Alloys consisting primarily of such metals, such as bronzes and brasses such as tombac, phosphor or aluminum bronze, red brass, beryllium copper alloy, and cupronickel, or alloys of gold and/or silver such as electrum or holoid, are also suitable. Although aluminum does react to form borides, the formation of significant amounts of WAlB requires specific compositions and cooling rates. In fact, by adjusting compositions and cooling rates to limit WAlB formation, aluminum can be used as an additional alloying element.
В качестве примера армированного металлом композита, W2B5 может быть предусмотрен в качестве компонента в наполнителе цементированного борида вольфрама, содержащего металлическую матрицу и наполнитель, как было описано для WB в WO 2016/009176 A1.As an example of a metal-reinforced composite, W 2 B 5 may be provided as a component in a cemented tungsten boride filler comprising a metal matrix and a filler, as described for WB in WO 2016/009176 A1.
Армированный металлом композит может содержать высокую долю W2B5, например, по меньшей мере 70% по массе, по меньшей мере 80% по массе или по меньшей мере 90% по массе. Это приведет к значительной доле бора в материале, так как W2B5 имеет 12,8% бора по массе, поэтому композит, содержащий N% W2B5 по массе, содержит по меньшей мере 0,128N% бора по массе. По сути, армированный металлом композит может содержать по меньшей мере 9% бора по массе, по меньшей мере 10% бора по массе или по меньшей мере 11,5% бора по массе. The metal-reinforced composite may contain a high proportion of W2B5 , such as at least 70% by weight, at least 80% by weight, or at least 90% by weight. This will result in a significant proportion of boron in the material , since W2B5 has 12.8% boron by weight, so a composite containing N% W2B5 by weight contains at least 0.128N% boron by weight. In essence, the metal-reinforced composite may contain at least 9% boron by weight, at least 10% boron by weight, or at least 11.5% boron by weight.
Характеристика армированного металлом композита по ослаблению нейтронного потока в целом улучшается с увеличением содержания бора.The neutron flux attenuation performance of metal-reinforced composite generally improves with increasing boron content.
Армированные металлом композиты могут быть сформированы целым рядом способов, например, спеканием в жидкой фазе (ЖФС), как проиллюстрировано на фигуре 7. Для формирования композита посредством ЖФС порошок W2B5 смешивают с порошком выбранного металла 701 и, необязательно, добавками, такими как стеариновая кислота (приблизительно 1% от массы W2B5), чтобы снизить частоту холодной сварки во время предварительной обработки. Порошки могут быть перемолоты вместе в инертной атмосфере, чтобы уменьшить их средний размер частиц. Смешанные порошки прессуют 702, формируя "неспеченную прессовку", которую затем нагревают до температуры выше температуры плавления выбранного металла, так что он становится жидким. Капиллярные силы из-за смачивания твердого W2B5 жидким металлом будут затягивать жидкость в пустоты между частицами и вынуждать частицы перекомпоновываться 703. По мере того, как пористость устраняется и фаза перекомпоновки начинает замедляться, механизмы диффузии становятся доминирующими, так как W2B5 диффундирует через жидкость и переосаждается на другие частицы 704. Это вызывает рост более крупных зерен за счет более мелких зерен и имеет тенденцию к выравниванию искривленных поверхностей частиц, которые соприкасаются. Эти изменения формы вынуждают частицы W2B5 упаковываться более плотно. На конечной стадии 705 композит достигает своей наивысшей плотности, поскольку структура W2B5 упрочняется с образованием твердой микроструктуры, аналогично спеканию в твердой фазе. Композиту затем дают возможность остыть, так что жидкий металл затвердевает в сплошную матрицу вокруг структуры W2B5.Metal-reinforced composites can be formed by a variety of methods, such as liquid phase sintering (LPS), as illustrated in Figure 7. To form the composite via LPS , W2B5 powder is mixed with the powder of the selected metal 701 and, optionally, additives such as stearic acid (approximately 1% by weight of W2B5 ) to reduce the incidence of cold welding during pre-treatment. The powders can be milled together under an inert atmosphere to reduce their average particle size. The mixed powders are pressed 702 to form a "green compact," which is then heated to a temperature above the melting point of the selected metal so that it becomes liquid. Capillary forces due to the wetting of solid W2B5 by the liquid metal will draw liquid into the voids between the particles and force the particles to rearrange 703. As porosity is eliminated and the rearrangement phase begins to slow, diffusion mechanisms become dominant as W2B5 diffuses through the liquid and redeposits on other particles 704. This causes larger grains to grow at the expense of smaller grains and tends to straighten the curved surfaces of particles that are in contact. These shape changes force the W2B5 particles to pack more tightly. At the final stage 705, the composite reaches its highest density as the W2B5 structure hardens to form a hard microstructure , similar to solid-state sintering. The composite is then allowed to cool so that the liquid metal solidifies into a continuous matrix around the W 2 B 5 structure.
Спекание может быть выполнено под давлением, например, в горячем прессе, или же могут быть использованы методы спекания "без давления", когда подлежащий спеканию материал помещается в форму, которую подвергают вибрации при нагреве до температуры, достаточной для того, чтобы произошло спекание. Преимуществом спекания без давления является более тонкое регулирование содержания металла в конечном материале, поскольку спекание под давлением может вызвать выдавливание жидкого металла из материала.Sintering can be performed under pressure, such as in a hot press, or "pressureless" sintering methods can be used, where the material to be sintered is placed in a mold that is vibrated while heated to a temperature sufficient for sintering to occur. The advantage of pressureless sintering is finer control of the metal content in the final material, as sintering under pressure can cause liquid metal to be squeezed out of the material.
В зависимости от потока нейтронов и гамма-лучей, падающего на защиту, а также от продолжительности любых импульсов (если термоядерная установка не работает в установившемся режиме), может быть желательно интегрировать систему охлаждения с защитой, чтобы поддерживать защиту в температурных пределах эксплуатации. Такая система охлаждения может принимать форму каналов в защите, по которым прокачивается теплоноситель, такой как газообразный гелий. Для отведения тепла из системы может также использоваться водяное охлаждение, необязательно – через подходящий металлический интерфейс для минимизации коррозии. Альтернативно, поддерживая теплоотвод в одной или более областях защиты, тепло можно отводить от защиты теплопроводностью.Depending on the neutron and gamma ray flux incident on the shield, as well as the duration of any pulses (if the fusion facility is not operating in steady state), it may be desirable to integrate a cooling system with the shield to maintain the shield within its operating temperature limits. Such a cooling system may take the form of channels in the shield through which a coolant, such as gaseous helium, is pumped. Water cooling may also be used to remove heat from the system, optionally through a suitable metal interface to minimize corrosion. Alternatively, by maintaining a heat sink in one or more areas of the shield, heat can be removed from the shield by conduction.
W2B5 дает то дополнительное преимущество перед использованием защиты из WC или чистого W, что он имеет намного лучшую стойкость к окислению. Это является важным соображением безопасности для наихудшего сценария аварии, сочетающего потерю теплоносителя (LOCA) с потерей вакуума (LOVA). W2B5 offers the additional advantage of significantly improved oxidation resistance over WC or pure W protection. This is an important safety consideration for the worst-case scenario of a combined loss of coolant (LOCA) and loss of vacuum (LOVA) accident.
W2B5-защита особенно полезна в тех ситуациях, где пространство для нейтронной защиты очень ограничено. Одним из таких примеров является нейтронная защита в термоядерном реакторе-токамаке, в частности, сферическом токамаке. В таком реакторе защита защищает катушки полоидального или тороидального поля от нейтронов, испускаемых осуществляющей ядерный синтез плазмой в плазменной камере. Катушки могут быть выполнены из относительно нестойкого высокотемпературного сверхпроводящего материала, поэтому необходима эффективная защита, но эффективность реактора может быть улучшена, если эта защита будет как можно тоньше, поскольку это делает возможной более благоприятную сферическую геометрию, а позволяет катушкам возбуждения быть ближе к тому месту, где необходимо магнитное поле. W2B5 shielding is particularly useful in situations where space for neutron shielding is very limited. One such example is neutron shielding in a tokamak fusion reactor, specifically a spherical tokamak. In such a reactor, the shielding protects the poloidal or toroidal field coils from neutrons emitted by the fusion plasma in the plasma chamber. The coils can be made of relatively fragile high-temperature superconducting material, so effective shielding is necessary. However, reactor efficiency can be improved by making the shielding as thin as possible, as this allows for a more favorable spherical geometry and allows the excitation coils to be closer to where the magnetic field is needed.
Claims (22)
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| GB2020390.7 | 2020-12-22 | ||
| GB2113587.6 | 2021-09-23 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2850060C1 true RU2850060C1 (en) | 2025-11-05 |
Family
ID=
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE4136744A1 (en) * | 1991-11-08 | 1993-05-13 | Max Planck Gesellschaft | Inclusion-reinforced material - contains transition metal boride mixed crystals in metallic or ceramic matrix |
| US5700962A (en) * | 1996-07-01 | 1997-12-23 | Alyn Corporation | Metal matrix compositions for neutron shielding applications |
| CN106702192A (en) * | 2016-09-13 | 2017-05-24 | 安泰核原新材料科技有限公司 | Boron carbide aluminum matrix composite material and preparation method thereof |
| RU2632932C1 (en) * | 2016-12-13 | 2017-10-11 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС" | Composite material based on ultrahigh molecular weight polyethylene for combined radio and radiation protection filled with divolfram pentaboride and black carbon |
| CN109402477A (en) * | 2018-12-20 | 2019-03-01 | 有研工程技术研究院有限公司 | Shield the aluminum matrix composite and preparation method of high dose gamma-rays and thermal neutron |
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE4136744A1 (en) * | 1991-11-08 | 1993-05-13 | Max Planck Gesellschaft | Inclusion-reinforced material - contains transition metal boride mixed crystals in metallic or ceramic matrix |
| US5700962A (en) * | 1996-07-01 | 1997-12-23 | Alyn Corporation | Metal matrix compositions for neutron shielding applications |
| CN106702192A (en) * | 2016-09-13 | 2017-05-24 | 安泰核原新材料科技有限公司 | Boron carbide aluminum matrix composite material and preparation method thereof |
| RU2632932C1 (en) * | 2016-12-13 | 2017-10-11 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС" | Composite material based on ultrahigh molecular weight polyethylene for combined radio and radiation protection filled with divolfram pentaboride and black carbon |
| CN109402477A (en) * | 2018-12-20 | 2019-03-01 | 有研工程技术研究院有限公司 | Shield the aluminum matrix composite and preparation method of high dose gamma-rays and thermal neutron |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| C.G. Windsor и др., Modelling the power deposition into a spherical tokamak fusion power plant, Nucl. Fusion 57 (2017) 036001, doi:10.1088/1741-4326/57/3/036001. * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Chen et al. | Recent studies on potential accident-tolerant fuel-cladding systems in light water reactors | |
| Windsor et al. | Tungsten boride shields in a spherical tokamak fusion power plant | |
| RU2713484C2 (en) | Protection materials for thermonuclear reactors | |
| Gosset | Absorber materials for Generation IV reactors | |
| US20250259756A1 (en) | Layered neutron shielding | |
| KR20230104281A (en) | breeder blanket | |
| Van Houten | Selected engineering and fabrication aspects of nuclear metal hydrides (Li, Ti, Zr, and Y) | |
| US20240038408A1 (en) | Materials for tungsten boride neutron shielding | |
| Anderson et al. | Neutron absorber materials for reactor control | |
| CN117965987A (en) | High-temperature-resistant yttrium silicon alloy material for nuclear shielding, preparation method and application thereof | |
| RU2850060C1 (en) | Improved materials for neutron shielding based on tungsten biride | |
| CN116670784A (en) | Improved materials for tungsten boride neutron shielding | |
| US20230132031A1 (en) | Neutron absorbing embedded hydride shield | |
| HK40074658A (en) | Layered neutron shielding | |
| HK40074658B (en) | Layered neutron shielding | |
| KR20250164000A (en) | Layered neutron shielding | |
| EA043044B1 (en) | MULTILAYER NEITRON PROTECTION | |
| Sathiyamoorthy et al. | Carbon-based Materials for Atomic Energy Reactor |