CN106489180B - 用于聚变反应堆的屏蔽材料 - Google Patents

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Abstract

本发明描述了一种用于核聚变反应堆的中子屏蔽物。所述中子屏蔽物包括烧结的碳化物或硼化物，所述烧结的碳化物或硼化物包含粘合剂和集料，所述集料包含碳化物或硼化物化合物的粒子。

Description

用于聚变反应堆的屏蔽材料
技术领域
本发明涉及用于聚变反应堆的中子屏蔽材料。尤其是，但并非排他地，本发明涉及用于在紧凑球形托卡马克(tokamak)反应堆中使用的屏蔽物。
背景
产生聚变动力的挑战是非常复杂的。当氘-氚(D-T)或氘-氘(D-D)等离子体变得非常热从而核子融合在一起时，产生聚变中子，释放高能中子。迄今为止，完成此过程的最有前途的方法是使用托卡马克；在常规的到达聚变的托卡马克途径中(如由ITER实施的)，等离子体需要具有高的约束时间、高的温度和高的密度，以优化此过程。
托卡马克的特征在于强的环形磁场BT、高的等离子体电流Ip和通常大的等离子体体积的组合以及显著的辅助加热，从而提供热的稳定的等离子体，使得聚变可以发生。辅助加热(例如经由几十兆瓦特的高能H、D或T的中性束注入)对于将温度提高到核聚变发生所需的足够高的值来说和/或对于保持等离子体电流来说是必须的。
问题在于，因为通常所需的大的尺寸、大的磁场和高的等离子体电流，所以建造成本和运营成本高，并且工程必须稳健以应付大的储存的能量，该能量存在于磁系统中和等离子体两者中，所述等离子体有“瓦解”的习惯-兆-安培电流在千分之几秒内降低至零，处于极端的不稳定。
该状况可以通过以下方式改善：将常规托卡马克的甜甜圈形圆环面紧缩到其极限，具有有芯的苹果的外观-“球形”托卡马克(ST)。此设想在位于Culham的START托卡马克中的第一次实现显示了效率的巨大提高-容纳热等离子体所需的磁场可以减小10倍。此外，改善了等离子体稳定性，并且降低了建造成本。
WO 2013/030554描述了一种用于作为中子源或能量源的用途的紧凑球形托卡马克。在球形托卡马克的设计中的重要考虑是保护反应堆部件不受聚变反应所生成的高的中子通量的影响。这对于小型托卡马克是特别重要的，因为由于等离子体容器的较小的表面积/体积比率，中子通量(即每单位面积的中子流)将通常更高。
本申请基于一种非常紧凑的形式的托卡马克，并且使用一系列创新的特征，包括使用高温超导(High Temperature Superconducting)磁体。“高效紧凑聚变反应堆(Efficient Compact Fusion Reactor)”(ECFR)意在提供紧凑的聚变发电站。图1是这样的反应堆的示意图。通过由环形场线圈(13)和极向场线圈(未示出)生成的磁场，将等离子体(11)容纳在真空容器(12)中。环形场线圈向下沿着在等离子体室的中央的中心柱(14)运行。
ST的一个缺点是，在中心柱中的有限的空间阻碍了对于在中子环境中保护中央绕组所必须的基本屏蔽的安装——所以常规的环形场绕组和常规的中央螺线管(用于引起并保持等离子体电流)是不可行的。尽管已经设计了基于ST的发电装置(使用具有有限屏蔽的固体铜中心柱，该柱每年更换或当被中子损伤时更换)，但是这些发电装置由于温暖的铜的电阻率比较高而导致在中央柱中的高能量耗散，需要用于发电的大型装置以变得经济。
超导材料可以用于中央芯，但是这样的材料容易受到来自中子的损伤的攻击，并且如果累积了足够的损伤使得材料不再超导，可能灾难性地失效。因此，在中央芯的总尺寸、超导材料的横截面积(其涉及超导体可以承载的最大电流)和屏蔽物的厚度之间存在着折衷。
为了确保反应堆尽可能紧凑(这允许更大的效率)，屏蔽物的厚度应该尽可能多地减小，同时仍然保持对于其他部件的足够保护。将等离子体与场线圈之间的距离最小化可以利用线圈中更低的电流得到等离子体中更高的磁场。
图2显示了中心柱的截面，并且图示了屏蔽材料必须克服的问题。中心柱(13)包含HTS线圈(21)的中央芯和屏蔽物的外层(22)。取决于屏蔽物所用的材料，在外表面上可以有一层氧化的屏蔽材料(23)。源自等离子体的损伤有三个主要原因。首先，由聚变反应生成的高能中子可以实际上将原子从屏蔽物的结构中敲击出来，造成通过材料蔓延的损伤级联反应。其次，来自聚变反应的热通量是巨大的，并且可以由于通过不均匀加热引起的热应力对屏蔽物造成损伤，并且可以对HTS芯造成损伤，因为较高的温度降低了当保持超导性时可以负载的电流，并且可以导致线圈突然获得电阻，导致磁体熄灭。最后，等离子体的高能粒子将磨削屏蔽物的外表面。这不仅导致对屏蔽物本身的损伤，而且也污染等离子体。想要的是，具有一种屏蔽材料，其可以抵抗这些效果，以及防止中子到达超导线圈。
概述
在本文中，通过提出可以用于中子屏蔽的备选材料，应对在紧凑球形托卡马克中提供屏蔽的挑战。焦点将在用于中心柱的屏蔽上，因为这是球形托卡马克的在空间上最为关键的区域，但是预期所公开内容可以容易地适用于反应堆的其他部件。
根据第一方面，提供了用于核聚变反应堆的中子屏蔽，其中中子屏蔽包括烧结的碳化物或硼化物，烧结的碳化物或硼化物包含粘合剂和集料，集料包含钨、钽或铪的碳化物或硼化物化合物的粒子。
根据另一方面，提供了用于核聚变反应堆的中心柱，中心柱包含根据第一方面的中子屏蔽和超导材料的芯，其中中子屏蔽布置为保护超导材料不被加热和不被中子损伤。
根据再另一方面，提供了紧凑核聚变反应堆。反应堆包含环形等离子体室和等离子体约束系统，等离子体约束系统布置为生成用于将等离子体约束在等离子体室内的磁场。等离子体约束系统配置为使得被约束的等离子体的长半径(major radius)为1.5m以下且等离子体的纵横比为2.5以下。用于防止对反应堆的灵敏部件的中子损伤的中子屏蔽是根据第一方面的中子屏蔽。
根据再另一方面，提供了用于核聚变反应堆的偏滤器(divertor)，偏滤器包括烧结的碳化物或硼化物，烧结的碳化物或硼化物包含粘合剂和集料，所述集料包含钨、钽或铪的碳化物或硼化物化合物的粒子。
根据再另一方面，提供了烧结的碳化物或硼化物作为用于核聚变反应堆的中子屏蔽的用途，烧结的碳化物或硼化物包含粘合剂和集料，所述集料包含钨、钽或铪的碳化物或硼化物化合物的粒子。
在后附的权利要求中，陈述了其他方面和优选的特征。
附图简述
图1是球形托卡马克反应堆的示意图，
图2是反应堆屏蔽的部分的示意图。
详细描述
为了适合作为聚变反应堆中的屏蔽的用途，材料应当良好吸收聚变能量中子，耐热冲击良好，耐溅蚀和等离子体磨削良好，并且耐中子损伤良好。本文建议使用且似乎将会具有全部这些性质的两类材料是烧结的碳化物和烧结的硼化物。
烧结的碳化物是一种金属基复合材料，其中碳化物的粒子充当集料，并且金属粘合剂充当基体。烧结的碳化物是通过烧结过程形成的，在烧结过程中，将材料加热到粘合剂为液体但碳化物粒子保持固体的点。碳化物颗粒从而被包埋到液体粘合剂中，随后使液体粘合剂固化。这导致了一种品质比单独取出的碳化物或粘合剂更好的材料。延展性的粘合剂抵消了碳化物陶瓷的天然的脆性，并且碳化物粒子使得所得的复合材料比单独的粘合剂硬得多。由于金属粘合剂，烧结的碳化物典型地具有高热导率，这减少了材料由于不均匀加热而经受的热应力。烧结的碳化物或硼化物的线性热膨胀系数典型地在4至5x10-6的范围内。烧结的材料也耐溅蚀(材料的外表面被高能粒子磨削)。例如，烧结的钨碳化物典型地具有纯钨的溅蚀速率的四分之一。
烧结的硼化物是等价的，不过使用硼化物粒子而非碳化物作为集料。也可以使用硼碳化物粒子。
碳化物/硼化物以及粘合剂的选择将受反应堆中的条件的指引。对于抵抗高中子通量的需求阻止了许多元素和同位素的使用，如钴和镍，它们会由于中子暴露而变成放射性的。当使用铁磁性材料时，高的磁场需要将结构问题考虑在内，因为所得的力会导致反应堆内的大的应力。类似的考虑发生在碳化物的选择上。而且，材料当然必须能够减少到达在屏蔽之后的部件的中子的通量。碳将自然地充当减速剂，减缓裂变中子，这允许在其他可以使用的元素中的更大的自由度(因为多得多的元素对于慢中子比对于较快的中子来说是有效的吸收体)。硼-10是有效的中子吸收体。
对于碳化物来说有前途的候选物是碳化钨(因为中子吸收是有利的并且机械性能已被良好地研究)、硼化钨、以及碳化硼，其将碳的减速性质与硼的中子吸收组合。为了平衡材料的结构性质和中子学性质，可以使用多种碳化物。此外，可以向烧结的材料中加入除碳化物之外的其他物质，例如可以向主要的碳化物复合材料中加入硼化物，以将硼引入屏蔽物中，或反之亦然。向烧结的碳化钨加入硼化钨可以改进耐腐蚀性。可以使用的硼碳化物包括硼碳化钨，尤其是三元硼碳化钨。可以加入到材料中的其他物质包括氧化物和氮化物，例如可以加入氮化钛，以改善材料的结构性质。
对碳化钨和硼碳化钨的其他备选物包括对应于周期表的第三长排(或超出)的元素的硼化物和/或碳化物。所述元素的熔点沿第三周期增高，在第六族(钨)处达到峰值。因此，主要的候选元素是铪、钽、钨和铼。铂类金属可以理论上适合于中子屏蔽，但被认为是较无用的，因为锇化合物是高度毒性的，并且因为铱和铂的过高的成本。铼是非常昂贵且非常稀有的。因此，三种最可能的候选物是铪、钽和钨。在它们中，钨(包括其化合物)是最廉价的且最广泛易得的，并且容易通过粉末方法加工。
钽具有比钨更好的延展性和韧性，更容易成形和接合(例如通过焊接)，并且具有更好的耐氧化性。然而，它是稀有的材料并且购买起来非常昂贵，并且当暴露到聚变能量中子辐射时比钨变得放射性得多。在约一百年后，活性衰减到低于钨水平，但是这是不可接受地长的时间。铪也是可用的。二硼化铪是高度难熔的，并且具有非常好的耐氧化性。铪相当稀有，但是可以作为用于核工业的锆的生产的副产物获得。
因为空间限制，在球形托卡马克中，重要的是使用富钨(或其他来自周期表的第三长排的元素，如铪或钽)的屏蔽材料。这反过来造成在耐氧化和辐射性方面的急迫问题(因为钨的氧化是放热的，并且氧化物是挥发性的)。向基于钨或碳化钨的屏蔽物中引入硼化物(和/或硅化物)有助于处理此问题。
屏蔽物的组成可以是分级的，例如，可以将屏蔽物的外部(即朝向等离子体)的区域配制成改善对腐蚀和磨削的耐性，而可以将内部区域配制为改善结构性质或热传递。这可以用于改善屏蔽的效率，例如，通过朝向屏蔽的外侧(即朝向等离子体侧)包含更高浓度的中子减速材料，和朝向屏蔽的内侧包含更高浓度的中子吸收材料。以此方式，将中子吸收体放置在中子将最慢的地方，并且吸收体将最有效。用常规的合金化技术达到这样的细致分级的结构会是困难的(即使不是不可能的)，并且提供使用胶合材料的进一步的优点。
相比于从其他材料制造，烧结的碳化物或硼化物的制造过程允许比较容易地制成复杂的结构。例如，建造具有冷却剂可以通过其运转的孔的屏蔽会是简单的。此外，可以通过多种技术，包括钎焊和专门的焊接方法(例如电子束或激光焊接)，将烧结的碳化物或硼化物接合到其他材料。这在制造整个反应堆系统时提供了相当大的优势，例如，用于将屏蔽接合到反应堆的主结构。
烧结的碳化物/硼化物的使用的一些方面可能看起来是反直觉的，但是仔细的研究揭示了，这些方面实际上不造成问题。例如，用于粘合剂的金属(一种有前途的组合是铁和铬)与在反应堆的构造中使用的其他材料相比具有比较低的熔点，并且不能想象的是屏蔽的部件将升到高于熔点。然而，如果粘合剂熔融，则碳化物粒子将倾向于将其保持在一起直到它原位再冻结。甚至在粘合剂在朝向等离子体侧挥发的极端情况下，碳化物将形成固体壳，其将保持屏蔽的结构(尽管在外层上的热性能可能受到影响)。
此外，可以看到，使用粉末化的碳化物/硼化物将不会产生有利的足够均匀的用于中子学的物质。然而，假如中子的平均自由程基本上大于在烧结的材料中任何单独粒子的直径，那么粉末共混物将一致地充当“真正的”合金。中子的平均自由程比用于烧结的碳化物的粒子尺寸大一个或两个数量级。
烧结的碳化物或硼化物也可以用于反应堆的其他区域中，例如偏滤器，在那里它们提供类似的优点。
尽管如上所述已经在优选的实施方案方面描述了本发明，但是应当理解的是，这些实施方案仅是说明性的，并且权利要求不限于那些实施方案。本领域技术人员将能够出于公开内容的考虑进行预期落在后附权利要求的范围内的改变和替换。在本说明书中公开或说明的各个特征可以结合在本发明中，不管是单独地或是以与本文公开或说明的任何其他特征任意合适组合的方式。

Claims (13)

1.用于核聚变反应堆的中子屏蔽物，所述中子屏蔽物包括烧结的碳化物或硼化物，所述烧结的碳化物或硼化物包含粘合剂和集料，所述集料包含钨、钽和/或铪的碳化物或硼化物化合物的粒子，其中所述烧结的碳化物或硼化物的组成在所述烧结的碳化物或硼化物的厚度方向上变化；所述粘合剂包含金属。
2.根据权利要求1所述的中子屏蔽物，其中所述碳化物或硼化物化合物是以下各项中的一种或多种：
碳化钨；
硼化钨；
三元硼碳化钨。
3.根据权利要求1所述的中子屏蔽物，其中所述烧结的碳化物或硼化物的朝向等离子体侧与所述烧结的碳化物或硼化物的不朝向等离子体侧相比包含较低比例的中子吸收材料。
4.根据权利要求1所述的中子屏蔽物，其中所述粘合剂包含铁和/或铬。
5.根据权利要求1所述的中子屏蔽物，其中所述烧结的碳化物或硼化物不包含钴或镍。
6.一种用于核聚变反应堆的中心柱，所述中心柱包含根据任一在前权利要求所述的中子屏蔽物和超导材料的芯，其中所述中子屏蔽物被布置为保护所述超导材料不被加热和不被中子损伤。
7.一种紧凑核聚变反应堆，所述紧凑核聚变反应堆包含环形等离子体室和等离子体约束系统，所述等离子体约束系统被布置为生成用于将等离子体约束在所述等离子体室中的磁场，其中：
所述等离子体约束系统被配置为使得被约束的等离子体的长半径为1.5m以下且等离子体的纵横比为2.5以下；
用于防止对所述反应堆的灵敏部件的中子损伤的中子屏蔽物是根据权利要求1至5中任一项所述的中子屏蔽物。
8.一种用于核聚变反应堆的偏滤器，所述偏滤器包括烧结的碳化物或硼化物，所述烧结的碳化物或硼化物包含粘合剂和集料，所述集料包含钨、钽或铪的碳化物或硼化物化合物的粒子，其中所述烧结的碳化物或硼化物的组成在所述烧结的碳化物或硼化物的厚度方向上变化；其中所述粘合剂包括金属。
9.烧结的碳化物或硼化物作为用于核聚变反应堆的中子屏蔽物的用途，所述烧结的碳化物或硼化物包含粘合剂和集料，所述集料包含钨、钽或铪的碳化物或硼化物化合物的粒子，其中所述烧结的碳化物或硼化物的组成在所述烧结的碳化物或硼化物的厚度方向上变化；所述粘合剂包含金属。
10.根据权利要求9所述的用途，其中所述碳化物或硼化物化合物是以下各项中的一种或多种：
碳化钨；
硼化钨；
三元硼碳化钨。
11.根据权利要求9所述的用途，其中所述烧结的碳化物或硼化物的朝向等离子体侧与所述烧结的碳化物或硼化物的不朝向等离子体侧相比包含较低比例的中子吸收材料。
12.根据权利要求9所述的用途，其中所述粘合剂包含铁和/或铬。
13.根据权利要求9所述的用途，其中所述烧结的碳化物不包含钴或镍。
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