Керамические кирпичи из карбида бора доказали свою эффективность в защите диагностического оборудования ИТЭР
- 12.02.2021
Автор - Пэт Бранс (Pat Brans)
Источник: iter.org
Для защиты диагностического оборудования от нейтронного потока требуются очень эффективные материалы, но эти материалы могут быть использованы внутри вакуумной камеры токамака, только если они продемонстрируют выполнение ряда строгих требований.
25 порт-плагов, являющихся частью диагностической системы токамака ИТЭР, служат двум основным целям. Одна из них – защитить диагностическое оборудование от нейтронного потока – либо полностью заблокировав, либо уменьшив его на несколько порядков. Другая задача потр-плагов - обеспечить доступ диагностического оборудования к плазме, через отверстия и окна, которые необходимо выполнить в этой защите.
Экваториальный порт-плаг состоит из трех диагностических защитных модулей, которые устанавливаются внутрь корпуса порт-плага. Каждый модуль состоит из рамы из нержавеющей стали и диагностической первой стенки. За стальной рамой будет располагаться защитный материал, который будет станет последней линией обороны, уменьшающей или блокирующей поток нейтронов на датчики и вспомогательное оборудование.
Выбор материала с правильными свойствами
Фото - iter.org
Выбор подходящего материала для защиты – это сложный процесс, который потребовал ряда шагов и участия нескольких организаций. Материал должен обеспечивать нужную степень защиты, но при этом соответствовать ряду ограничений.
Одно из них ограничений заключается в том, что каждый полностью оснащенный порт-плаг может весить не более 48 тонн, что сокращает количество допустимых видов защиты. «Мы могли бы создать надежную защиту, чередуя слои нержавеющей стали и воды», - комментирует Максим Иванцивский, приглашенный партнер проекта из секции разработки диагностики (старший научный сотрудник ИЯФ СО РАН – прим. ИЯФ СО РАН). «Это отвечало бы нашим требованиям по уменьшению нейтронного потока, но, к сожалению, этот был бы далеко за пределами ограничения по весу. Вес порт-плага превышал бы 48 тон».
Чтобы найти вариант конструкции, которая обеспечивала достаточную защиту, все еще оставаясь в пределах по весу, центральный офис ИТЭР, Российское и Американское домашние агентства провели независимые исследования. Все три организации пришли к выводу, что карбид бора (B4C) подходит лучше других кандидатов.
B4C – очень прочный материал, его используют, например, в бронежилетах и в качестве брони для некоторых современных танков. В4С также очень хорошо блокирует нейтроны. После того как нержавеющая сталь и вода замедляют поток нейтронов, B4C поглощает его их, обеспечивая существенное улучшение защиты. Более того, карбид бора почти в четыре раза легче нержавеющей стали.
Выбор правильной формы материала
«Как только стало ясно, что B4C нам подходит, мы принялись определять оптимальную для нас форму этого материала», - говорит Максим Иванцивский. «B4C может быть сыпучим, и тогда им можно заполнить ту или иную емкость, или же, он может быть изготовлен в виде одного из типов керамики. Мы обсудили различные варианты с рабочей группой и решили, что лучшим решением будет использование карбида бора в виде керамических кирпичей, поскольку с ними намного проще работать».
Следующим шагом был выбор такой конструкции, которая позволила бы добиться баланса между эффективностью защиты и сохранением оптимального веса. Команда начала с разработки защитных кассет, которые представляют собой стальные пластины, подогнанные под форму диагностического оборудования. Кассеты изготавливаются из нержавеющей стали и содержат блоки B4C. «Мы выбрали модульную конструкцию, которая позволяет изменять размеры защитных элементов в соответствии с формой диагностического оборудования», - говорит Иванцивский.
Идея состоит в том, чтобы разместить оптические датчики и зеркала внутри диагностического защитного модуля, и окружить их защитными кассетами. Плюс этого подхода в том, что при повреждении оборудования он позволяет легко снять лишь небольшое количество защитных кассет, чтобы удалить неисправность.
Однако, если пространство полностью заполнено кирпичами, вес будет превышен. «Мы нашли довольно элегантное решение», - говорит Иванцивский. «Мы спроектировали большое отверстие в центре каждого кирпича, что позволяет, с одной стороны, скрепить между собой элементы конструкции, с другой – увеличивая или уменьшая это отверстие, мы можем управлять средней плотностью».
Другой проблемой, которую необходимо было преодолеть, была скорость газвыделения. «На ранних стадиях разработки проекта были рассчитаны показатели газовыделения, которые можно допустить в каждой части токамака, чтобы вакуумная система справлялась с его откачкой», - говорит Иванцивский. «В эти расчеты также входила дегазация портплагов. Но керамические кирпичи существенно увеличивают площадь поверхности, что не учитывалось при первоначальных расчетах. Порт-плаг может содержать до 40 000 кирпичей с общей площадью поверхности 407 м², это дополнительная поверхность, которая должна быть учтена при расчете газовыделения».
Для определения, удовлетворяет ли порт-плаг требованиям газовыделения, недостающим элементом расчета была скорость дегазации каждого кирпича из керамики B4C. Домашнее агентство Российской Федерации задалось целью выяснить, эту величину.
«Мы взяли 638 блоков и очистили их – сначала ультразвуком, затем водой, а после высушили при 120 градусах Цельсия», - говорит Иванцивский. «Затем они отжигались в течение 4 часов в печи при температуре 1000 градусов. Мы поместили эти кирпичи в вакуумную камеру и проверили их на соответствие требованиям ИТЭР. Всего через 5 часов испытаний мы продемонстрировали, что укладываемся в требования. Через 24 часа показатели стали еще лучше. Чтобы сделать еще один шаг вперед, мы производили откачку и измерения в течение одного года. В результате скорость выделения газа снизилась в 3,5 раза».
После нескольких месяцев исследований, компромиссов в дизайне и экспериментов было показано, что керамические блоки B4C защищают диагностическое оборудование, а также отвечают требованиям на работу с порт-плагами для диагностических устройств.