CN116670784A - 用于硼化钨中子屏蔽体的改进材料 - Google Patents

Abstract

公开了五硼化二钨W₂B₅在中子屏蔽体内的用途。

Description

用于硼化钨中子屏蔽体的改进材料

发明领域

本发明涉及用于聚变反应堆的中子屏蔽材料。特别地，本发明涉及包含硼化钨的中子屏蔽体。

背景

生产聚变能的挑战非常复杂。聚变中子在氘-氚(D-T)或氘-氘(D-D)等离子体被加热时产生，使得原子核就有足够的能量来克服库仑静电斥力以聚变在一起，从而释放高能中子和聚变产物(例如对于D-T的⁴He)。迄今为止，最有希望实现这一点的方法是使用托卡马克(tokamak)装置；在传统的托卡马克聚变方法中(如由ITER所体现的)，等离子体需要具有高约束时间、高温度和高密度以优化这个过程。

托卡马克装置的特征在于组合了强环形磁场B_T、高等离子体电流I_p以及通常很大的等离子体体积和显著的辅助加热，以提供热稳定的等离子体，使得聚变可以发生。辅助加热(例如经由数十兆瓦的高能量H、D或T的中性束注入)对于将温度增加到发生核聚变所需的足够高的值和/或维持等离子体电流是必要的。

为了确保反应堆尽可能紧凑(这允许更高的效率，特别是对于“球形托卡马克”等离子体配置)，辐射屏蔽体的厚度应尽可能减小，同时仍保持对其他组件的足够保护。最小化等离子体和场线圈之间的距离允许等离子体中的磁场更高而线圈中的电流更低。

图1示出了中心柱的一段，并且例示了屏蔽材料必须克服的问题。中心柱包括高温超导体(HTS)线圈11的中心堆芯和屏蔽体12的外层。取决于用于屏蔽体的材料，如果屏蔽体在高温下操作的同时暴露在空气中，则在外表面上可能存在氧化屏蔽材料的层13。存在起源于等离子体14的三个主要损坏原因。首先，由聚变反应产生的高能中子15可以基本上将原子从屏蔽体的结构中击出，从而生成破坏级联16，其在材料中传播并降低材料特性(如机械、热或超导特性)。其次，来自聚变反应的热通量17很大，并且由于由不均匀加热和HTS堆芯诱导的热应力而可能损坏屏蔽体，因为较高的温度会降低在保持超导性的同时可以承载的电流，并且可能引起线圈突然增加电阻，从而导致磁体淬灭。最后，等离子体的高能粒子将烧蚀18屏蔽体的外表面。这不仅引起对屏蔽体本身的损坏，而且如果屏蔽体直接暴露在在等离子体中还可能污染等离子体。期望有一种屏蔽材料，其可以抵抗这些影响，并防止中子到达超导线圈。

目前的屏蔽体设计也经常利用水通道来冷却屏蔽体并减速中子(这增加了屏蔽体的有效性)。然而，这会带来一些问题，因为水在处置或维护应用期间很难处理—这归因于存在水的加压系统、污染、活化和汽化的风险，以及如果处理不当则来自反应堆的水进入环境的可能性。

因此需要一种不需要水来减速的有效中子屏蔽体。

概述

根据本发明的第一个方面，提供了五硼化二钨W₂B₅在中子屏蔽体内的用途。

根据第二个方面，提供了包含五硼化二钨W₂B₅的中子屏蔽体。

根据第三个方面，提供了一种托卡马克聚变反应堆，其包括等离子体室、环形场线圈、多个极向场线圈以及位于该等离子体室的内部和所述环形场线圈或极向场线圈之间的中子屏蔽体，其中该中子屏蔽体是根据第二个方面的屏蔽体。

附图简述

图1是托卡马克装置的中心柱中的屏蔽层的示意图；

图2是示出了硼化钨和碳化钨屏蔽材料的中子通量的图；

图3是示出了来自硼化钨和碳化钨屏蔽材料的中子和γ的能量沉积的图；

图4是示出了钨、硼或碳及其总和的屏蔽材料内的原子密度的图；

图5是示出了作为中子屏蔽体内处于不同水平的硼含量的函数的在硼化钨材料运行30年后剩余的¹⁰B同位素的分数的图；

图6是示出了屏蔽材料中的不同同位素浓度的¹⁰B同位素在HTS堆芯(如图1中的那样)中的峰值中子通量的图。

详述

先前的中子屏蔽体概念是基于碳化钨和/或富含钨的硼化物。钨由于其高Z值以及典型地高密度的钨化合物而是一种有效的光子吸收剂。钨作为非弹性散射体在降低处于～14MeV的入射中子的能量方面也是有效的。碳化钨提供了额外的优势，因为碳是某种程度上有效的中子减速剂(简言之，减慢中子的速度以使它们更容易被钨吸收)。硼化钨提供了额外的优势，因为硼是低能量中子(其可能能够穿透通常基于钨的屏蔽体)的有效吸收剂。

在研究碳化钨和硼化钨的可能组成期间，已令人惊讶地发现，在托卡马克核聚变反应堆中预期的强度和能量范围下，特定化学计量的硼化钨W₂B₅(五硼化二钨)是一种比其他硼化钨和碳化钨显著更有效的屏蔽材料(对于γ射线和中子二者)。

图2示出了在有201或没有202水减速剂层的情况下模拟各种硼化钨材料(以钨和碳化钨作为比较)用于中子吸收的结果。测量的是托卡马克聚变反应堆的高温超导HTS中心柱上的中子通量，因此值越低越好。刻度是对数的。所考虑的硼化钨是W₂B、WB、W₂B₅和WB₄。此外，还考虑了碳化钨(WC，表示为自Y轴的水平线)和更复杂的复合材料B_0.329C_0.074Cr_0.024Fe_0.274W_0.299。

如从图表中可以看出的，对于中子吸收，W₂B₅明显优于其他组成。事实上，它是一种足够好的在水减速剂被更多的W₂B₅替代时性能提高的吸收剂，因为水的减速作用不会对剩余的W₂B₅提供足够的提升来解释为减速剂腾出空间而移除的材料—即，通常情况下，减速剂的存在将会由于更大的用于吸收较慢的中子的横截面而允许更多的中子被吸收，但是这种效应被W₂B₅增加的吸收能力完全抵消。

图3显示了在与图2相同的模拟中在HTS材料上的实际能量沉积，包括通过中子的直接能量沉积和通过γ射线的二次能量沉积。所示出的图是在具有301和不具有302水减速剂下的γ能量沉积，以及在具有303和不具有304水减速剂下的中子能量沉积。如先前的，值越低越好，并且对相同的化合物绘制。在这个图表中，可以看出的是，W₂B₅再次在所有情况下表现最佳。由于到达HTS的中子具有较高的能量，尽管中子通量较低，但在没有水减速剂的情况下，通过中子的直接能量沉积较高。然而，在没有减速剂的情况下，通过γ射线的二次沉积对于W₂B₅是较低的，并且在给出该图的对数刻度下，将理解在这种情况下总能量沉积也将是较低的。

从理论上讲，这是由于W₂B₅的特别紧密堆积的晶体结构而发生的，W₂B₅在硼化钨之中具有异常高的密度(～13g/cm³)，并且因此具有比否则将在与其他化学计量相比时所预期的更大的钨和硼二者的原子序数密度(即单位体积的原子数)。这显示在图3中，其示出了钨401和硼或碳402的原子密度(以原子数/立方厘米计)，以及对于纯钨、碳化钨和硼化钨的各种化学计量的总计403。如可以看出的，W₂B₅在所有考虑的化学计量中具有最高的硼原子密度，并且远高于钨原子密度的趋势线。包括钨和硼二者在内的总原子密度也是最高的。这很重要，因为硼和钨二者在屏蔽体中都起着重要作用。

应注意的是，科学界对于W₂B₅的确切结构存在一些争论。已知的是，在具有空间群P6₃/mmc的结构中，存在硼化钨的相，其包含由石墨样平面层和稠合环己烷样椅组成的硼的交替层，其中钨原子位于这些硼层之间。对于作为W₂B₅的这种结构，每个环己烷样环的中心将含有一个额外的硼原子，并且争论的焦点围绕这种排列是否稳定。在该额外的硼原子完全不存在的情况下，该结构将被正确地识别为W₂B₄，并且在仅存在部分占据(即硼原子存在于该结构的某些单元中，但不存在于其他单元中)的情况下，该结构将被正确地识别为W₂B_4+x。然而，W₂B₅是文献中对这种结构的最常见描述，并且因此也是本文使用的术语。在W₂B₄或W₂B_4+x结构是正确的情况下，相内的硼的比例将略低于本文所述的，但是这作为用于中子屏蔽体的最佳相的总体结论保持不变，并且本文对W₂B₅的提及可以代替对正确化学式的提及。其他相可以在硼化物内以较低的比例存在，但所需的相(即W₂B₄、W₂B_4+x或W₂B₅)将占主导地位。

通常，W₂B₅可以掺入到使用其他硼化钨制剂的任何现有设计中。例如，它可以作为固体烧结的W₂B₅掺入，或者作为包含在金属粘合剂内的W₂B₅粒子的烧结硼化钨的硼化钨组分掺入。虽然以上结果表明，减速剂不是必需的，但是基于W₂B₅的屏蔽体仍然可以提供有减速剂，如水或另外的含氢材料，或如本领域已知的任何其他合适的中子减速剂。例如，当W₂B₅作为复合材料(如金属陶瓷、陶瓷或烧结硼化钨)的一部分被包含时，提供减速剂可能是有益的，使得相比于单独的复合材料，该复合材料和减速剂的组合在目标范围处提供更好的中子吸收。在预期的中子能量不同于用于上述讨论的模拟的14.1MeV聚变中子的情况下，和/或在水(或另外的减速材料)既用作减速剂又用于冷却中子屏蔽体或其他附近组件的情况下，减速剂也可能是有益的。

W₂B₅可以作为复合屏蔽体上的一个组件提供，例如包括其他材料以对γ射线、处于不同能量的中子或任何其他辐射类型提供额外吸收。W₂B₅屏蔽体可以包括结构组件和冷却组件，它们可以由任何合适的材料制成。

应理解的是，W₂B₅的优点主要在于其作为屏蔽材料的性能，而不是特定地在于任何特定的屏蔽应用(例如几何构造或结构)。

与基于其他硼化钨的解决方案相比，对于给定厚度的中子屏蔽体增加的中子吸收可用于为设定厚度的屏蔽体提供改进的吸收，或者与基于其他硼化钨的解决方案相比，它可用于在减小厚度的情况下提供类似程度的中子屏蔽。后者在诸如球形托卡马克聚变反应堆的中心柱的应用中是特别有用的，这样的应用中最小化屏蔽体的厚度(作为最小化中心柱的总直径的一部分)是一个重要的设计目标。

受益于通过硼吸收中子的现有屏蔽体的一个潜在问题是，吸收的¹⁰B同位素会转变为⁷Li和⁴Heα粒子，使得¹⁰B同位素的比例随时间的推移逐渐减少。这例示在图5中，其示出了针对屏蔽体内从等离子体面向表面501到HTS堆芯面向表面505的几个位置的材料所绘制的在200MW下运行30年后几种硼化钨剩余的硼-10分数，其中中间深度502、503、504如示意图500中所示。分数损失在其中中子通量为最高的外部等离子体面向表面上是最高的并且通过屏蔽体减少。W₂B₅显示出在这方面所考虑的所有材料中的最佳性能，具有在整个屏蔽体上同位素含量的最小分数减少。

天然硼具有吸收中子的¹⁰B的同位素含量为19％至20％，而¹¹B的同位素含量为80％(硼的其他同位素的半衰期最多为约数十至数百毫秒)。虽然在许多应用中使用天然硼或具有18％至20％¹⁰B的其他硼将是足够的，但是可以通过富集¹⁰B含量(即提供比天然存在的硼中所存在的更大分数的¹⁰B，例如至少25％¹⁰B)来增强硼化物屏蔽体的性能。对于硼化钨材料中的每一种，这对于HTS堆芯内的峰值中子通量的影响示于图6中，其中¹⁰B/B_总的比例为0％601、20％602、40％603、60％604、80％605和100％606。对于硼化钨中的每一种，较高百分比的¹⁰B将屏蔽体性能提高了超过2倍，但是在所有富集水平下W₂B₅仍然是最佳的硼化钨。对于堆芯内的中子和γ能量沉积，获得了类似的结果(未显示)。

W₂B₅可以通过诸如烧结、熔融和铸造等制造技术而形成为纯固体材料。W₂B₅的烧结可以通过放电等离子烧结、W₂B₅粉末的热压、无压烧结或其他合适的方法来进行。

备选地，一种相对廉价的制造路线是复合烧结硼化钨。

纯的W₂B₅具有出色的中子屏蔽性能，但通常很脆。为了减轻这一点，可以将W₂B₅提供在金属增强复合材料中，以对W₂B₅复合材料的结构(例如承重)用途提供适当的物理特性。

应选择用于改善结构性能的添加剂合金化金属元素，以免与硼化物发生强烈反应，因为W₂B₅的部分益处来自其结构，并且如果其大部分与复合材料中的其他元素反应而形成其他硼化物，则该结构将受损或丧失。特别地，在金属增强复合材料中与W₂B₅一起提供的合适金属包括过渡金属(例如钨)，优选来自元素周期表第11族的那些(铜、银和金)、锌或铅，更优选铜。主要由这样的金属组成的合金也是合适的，例如青铜和黄铜，如镀金青铜、磷青铜或铝青铜、红黄铜、铍铜和白铜，或者金和/或银的合金，如银金矿(electrum)或金银合金(goloid)。虽然铝确实会反应形成硼化物，但是形成大量WAlB需要特定的组成和冷却速率。因此，通过控制组成和冷却速率以限制WAlB的形成，铝可以用作添加剂合金化金属元素。

作为金属增强复合材料的一个实例，W₂B₅可以作为包含金属基体和骨料的烧结硼化钨的聚集体中的组分提供，如在WO 2016/009176 A1中对WB所描述的。

金属增强复合材料可以包含高比例的W₂B₅，例如至少70重量％、至少80重量％或至少90重量％。这将导致材料中硼的比例显著，因为W₂B₅为12.8重量％的硼，所以包含N重量％W₂B₅的复合材料包含至少0.128N重量％的硼。因此，金属增强复合材料可以包含至少9重量％的硼、至少10重量％的硼或至少11.5重量％的硼。

金属增强复合材料的中子衰减性能通常随着硼含量的增加而改善。

金属增强复合材料可以以多种方式形成，例如通过液相烧结(LPS)形成，如图7所例示的。为了通过LPS形成复合材料，将W₂B₅粉末与所选金属701的粉末以及任选的添加剂如用于减少预处理期间冷焊的频率的硬脂酸(大约W₂B₅重量的1％)混合。这些粉末可以在惰性气氛下一起研磨以减小它们的平均粒度。将混合的粉末压制702以形成“生坯”，然后将其加热到高于所选金属的熔点，以使其变成液体。由于固体W₂B₅被液体金属润湿所产生的毛细管力会将液体拉入到粒子间空隙中并引起粒子重新排列703。由于多孔性消除和重新排列阶段开始减慢，随着W₂B₅扩散通过液体并且重新沉淀到其他粒子704上，扩散机制成为主导。这引起较大的晶粒以较小的晶粒为代价生长，并且趋向于使相接触的弯曲粒子表面变平。这些形状变化引起W₂B₅粒子更紧密地堆积。在最后阶段705中，复合材料达到其最高密度，因为W₂B₅结构以类似于固体烧结的方式随着固体微结构的形成而得到强化。然后允许复合材料冷却，以使液态金属凝固成围绕W₂B₅结构的连续基体。

烧结可以在压力下(例如在热压机中)进行，或者可以使用“无压”烧结技术，其中将待烧结的材料放置在模具内，该模具在加热到足以发生烧结的温度时振动。无压烧结的优点是更精细地控制最终材料的金属含量，因为加压烧结可能引起液态金属从材料中挤出。

取决于入射在屏蔽体上的中子和γ通量以及任何脉冲的持续时间(如果聚变装置不是在稳态模式下运行)，那么可能期望将冷却系统与屏蔽体集成以将屏蔽体保持在热操作限制内。这样的冷却系统可以采用屏蔽体内的通道的形式，诸如气态氦的冷却剂泵送通过该通道。水冷却也可以用于从系统中提取热量，任选地经由合适的金属界面以最小化腐蚀。备选地，通过在屏蔽体的一个或多个区域中保持吸热器，可以从屏蔽体热传导中提取热量。

相对于使用WC或纯W屏蔽体，W₂B₅具有额外的优势，因为它具有更为优异的抗氧化性。这对于结合冷却剂损失(LOCA)与真空损失(LOVA)的最坏情况事故情形来说是一个重要的安全考虑因素。

W₂B₅屏蔽体在其中用于中子屏蔽体的空间是高度受限的情形中是特别有利的。一个这样的示例是托卡马克聚变反应堆(特别是球形托卡马克装置)中的中子屏蔽体。在这样的反应堆中，屏蔽体保护极向或环形场线圈免受由等离子体室内的聚变等离子体发射的中子的影响。这些线圈可能由相对脆弱的高温超导材料制成，所以有效的屏蔽体是必需的—但是如果这种屏蔽体尽可能薄，则可以改善反应堆的效率，因为这样允许更有利的球形几何构造，并且允许场线圈更靠近需要磁场的地方。

Claims (17)

1.五硼化二钨W₂B₅在中子屏蔽体内的用途。

2.根据权利要求1所述的用途，其中作为所述W₂B₅的总硼含量的比例的硼-10的比例大于18％，更优选大于20％，更优选大于25％。

3.根据权利要求1或2所述的用途，其中所述W₂B₅作为固体烧结的W₂B₅提供。

4.根据权利要求1或2所述的用途，其中所述W₂B₅提供在包含W₂B₅和金属的复合材料内。

5.根据权利要求4所述的用途，其中所述金属是以下各项中的一种：

过渡金属；

元素周期表第11族的金属；

锌；

铅；

铝；

主要由过渡金属、元素周期表第11族的金属、锌、铅或铝组成的合金。

6.根据权利要求5所述的用途，其中所述金属是铜。

7.根据权利要求4至6中任一项所述的用途，其中所述复合材料是包含金属基体和聚集体的烧结硼化钨，所述聚集体包含W₂B₅。

8.根据权利要求4至7中任一项所述的用途，其中所述复合材料包含至少70重量％的W₂B₅，更优选至少80重量％的W₂B₅，更优选至少90重量％的W₂B₅。

9.一种包含五硼化二钨W₂B₅的中子屏蔽体。

10.根据权利要求9所述的中子屏蔽体，其中作为所述W₂B₅的总硼含量的比例的硼-10的比例大于18％，更优选大于20％，更优选大于25％。

11.根据权利要求9或10所述的中子屏蔽体，其中所述W₂B₅是固体烧结的W₂B₅。

12.根据权利要求9或10所述的中子屏蔽体，其中所述W₂B₅提供在包含W₂B₅和金属的复合材料内。

13.根据权利要求12所述的中子屏蔽体，其中所述金属是以下各项中的一种：

过渡金属；

元素周期表第11族的金属；

锌；

铅；

铝；

主要由过渡金属、元素周期表第11族的金属、锌、铅或铝组成的合金。

14.根据权利要求13所述的中子屏蔽体，其中所述金属是铜。

15.根据权利要求12至14中任一项所述的中子屏蔽体，其中所述复合材料是包含金属基体和聚集体的烧结硼化钨，所述聚集体包含W₂B₅。

16.根据权利要求12至15中任一项所述的中子屏蔽体，其中所述复合材料包含至少70重量％的W₂B₅，更优选至少80重量％的W₂B₅，更优选至少90重量％的W₂B₅。

17.一种托卡马克聚变反应堆，所述托卡马克聚变反应堆包括等离子体室、环形场线圈、多个极向场线圈和位于所述等离子体室的内部和所述环形场线圈或极向场线圈之间的中子屏蔽体，其中所述中子屏蔽体是根据权利要求9至16中任一项所述的屏蔽体。