俄罗斯物理学家测试碳化硼作为 ITER 反应堆壁涂层

图片：俄罗斯科学院西伯利亚分院 GI Budker 核物理研究所的 BETA 装置(由 INP SB RAS 提供)

俄罗斯科学院西伯利亚分院 GI Budker 核物理研究所 (INP SB RAS) 的专家与其他科学组织的团队正在测试碳化硼作为国际实验热核反应堆 (ITER) 壁的涂层法国正在建设中。热核反应过程中的等离子体燃烧发生在极高的温度下，这可能会损坏反应堆的壁。目前正在研究寻找一种可以防止这种损害的物质。

托卡马克中的等离子体位于环形真空室中。尽管由于磁场的保留，它与墙壁的接触很少，但其上的负载仍然很大。这是等离子体发出的热量和辐射通量，即中子和伽马辐射。在这种情况下，墙壁的材料可能会被破坏。无论如何，墙布颗粒都会落入等离子体中，但重杂质尤其危险。等离子体中的此类物质导致其快速冷却。为第一堵墙找到满足所有要求的材料非常困难。

碳广泛用于研究托卡马克以保护壁，但其使用存在问题，因为它可以捕获和保留氢同位素，包括放射性氚。目前，ITER 相机第一壁的材料是钨和铍。钨是耐火材料，能很好地承受高温，但它很重，当它进入等离子体时，它会很快冷却。铍很轻，即使进入等离子体，也不会影响其质量。然而，铍产生的粉尘对人体有毒，是一种强致癌物。

因此，由 ITER 中心(俄罗斯国家 ITER 建设机构)负责人阿纳托利·克拉西尔尼科夫 (Anatoly Krasilnikov) 领导的科学家团队寻找覆盖托卡马克壁的替代方案。它需要耐热，同时具有高导热性和导电性的轻质材料，例如某些特殊类型的陶瓷。通常，陶瓷是绝缘体，但陶瓷类耐热材料也具有足够的导电性。

该研究还涉及拉夫连季耶夫流体动力学研究所 SB RAS、赫里斯蒂亚诺维奇理论与应用力学研究所 (ITAM SB RAS) 和托木斯克国立管理系统与无线电电子大学。他们涂上了一层厚度只有几十微米的特殊材料涂层。测试正在 INP SB RAS 的 BETA 安装中进行，材料在此受到热核脉冲载荷的作用。BETA 是一种材料测试综合体，可以在实验过程中直接观察物质的参数。在测试过程中，材料受到来自等离子体的激光驱动的热负载。使用诊断系统，可以跟踪温度、吸收的热量和侵蚀程度。表面损伤也会导致粗糙度发生变化。在BETA复合体中，侵蚀开始的确切时刻可以通过随后的物质损失来确定。研究工程师 Dmitry Cherepanov 表示：“测试的目的是确定我们的测试材料在脉冲加热过程中所能承受的负载极限。”

“长期以来，我们一直在与 Virial(圣彼得堡)合作开发碳化硼中子防护。Virial 公司是陶瓷和陶瓷金属材料设备部件的制造商。这种物质非常耐用，具有相对良好的导热性，我们在托卡马克特有的脉冲负载下对其进行了测试。”研究人员亚历山大·布尔达科夫(Alexander Burdakov)解释道。

碳化硼与轻质铍类似，不会导致壁快速冷却，而且也是一种容易获得的材料。使用碳化硼有两种选择——它可以完全替代钨或作为保护涂层应用于钨壁。

到目前为止，BETA 复合体的测试结果表明，陶瓷开始塌陷的载荷阈值与钨相似。测试表明硼卡宾与碳化钨和铍涂层具有竞争力。