EA043044B1 - MULTILAYER NEUTRON SHIELD - Google Patents

MULTILAYER NEUTRON SHIELD Download PDF

Info

Publication number
EA043044B1
EA043044B1 EA202291721 EA043044B1 EA 043044 B1 EA043044 B1 EA 043044B1 EA 202291721 EA202291721 EA 202291721 EA 043044 B1 EA043044 B1 EA 043044B1
Authority
EA
Eurasian Patent Office
Prior art keywords
neutron
layers
metal hydride
shield
layer
Prior art date
Application number
EA202291721
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Джек Эстбери
Томас Дэвис
Саймон Миддлбург
Original Assignee
Токемек Энерджи Лтд
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Токемек Энерджи Лтд filed Critical Токемек Энерджи Лтд
Publication of EA043044B1 publication Critical patent/EA043044B1/en

Links

Description

Область изобретенияField of invention

Настоящее изобретение относится к нейтронной защите, в частности, хотя и не исключительно, для применения в термоядерных реакторах-токамаках.The present invention relates to neutron shielding, in particular, although not exclusively, for use in tokamak fusion reactors.

Предпосылки изобретенияBackground of the invention

Проблема производства термоядерной энергии является чрезвычайно сложной. Термоядерные нейтроны образуются при нагреве дейтерий-тритиевой (D-T) или дейтерий-дейтериевой (D-D) плазмы так, что ядра имеют достаточную энергию для преодоления кулоновского электростатического отталкивания, чтобы сливаться друг с другом, высвобождая энергетические нейтроны и продукты термоядерной реакции синтеза (например, 4He для D-T). На сегодняшний день самым многообещающим способом достижения этого является применение устройства токамака; при традиционном подходе к термоядерному синтезу в токамаках (реализуемом посредством ITER) для оптимизации этого процесса плазма должна иметь высокое время удержания, высокую температуру и высокую плотность.The problem of fusion energy production is extremely complex. Fusion neutrons are produced by heating deuterium-tritium (DT) or deuterium-deuterium (DD) plasma so that the nuclei have enough energy to overcome the Coulomb electrostatic repulsion to fuse with each other, releasing energetic neutrons and fusion reaction products (e.g., 4 He for DT). To date, the most promising way to achieve this is through the use of a tokamak device; In the traditional approach to fusion in tokamaks (implemented by ITER), to optimize this process, the plasma must have a high confinement time, high temperature, and high density.

Токамак характеризуется сочетанием сильного тороидального магнитного поля BT, высокого тока плазмы Ip и обычно большого объема плазмы и значительного сопутствующего нагрева, чтобы обеспечить горячую устойчивую плазму, в результате чего может происходить ядерный синтез. Сопутствующий нагрев (например, посредством инжекции десятков мегаватт пучков нейтральных частиц высокой энергии H, D или T) необходим, чтобы увеличивать температуру до достаточно высоких значений, требуемых для возникновения ядерного синтеза и/или для поддержания тока плазмы.The tokamak is characterized by a combination of a strong toroidal magnetic field BT, a high plasma current Ip and a generally large plasma volume and significant concomitant heating to provide a hot stable plasma whereby nuclear fusion can occur. Co-heating (eg, by injection of tens of megawatts of H, D, or T high energy neutral particle beams) is needed to increase the temperature to high enough temperatures required for nuclear fusion to occur and/or to maintain plasma current.

Для того чтобы обеспечить как можно большую компактность реактора (что делает возможной более высокую эффективность, в частности, при конфигурации плазмы сферического токамака), толщину радиационной защиты нужно уменьшить как можно больше, все еще обеспечивая надлежащую защиту для других компонентов. Минимизация расстояния между плазмой и катушками возбуждения предоставляет возможность более сильного магнитного поля в плазме с более низким током в катушках.In order to keep the reactor as compact as possible (which allows higher efficiency, in particular with a spherical tokamak plasma configuration), the 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.

Фиг. 1 показывает разрез центральной колонны и иллюстрирует те проблемы, которые должен преодолевать защитный материал. 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 иметься слой окисленного защитного материала 13. Существуют три главные причины повреждения, которые возникают из-за плазмы 14. Вопервых, образовавшиеся по реакции термоядерного синтеза высокоэнергетические нейтроны 15 могут по сути 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 термоядерного синтеза значителен и может повреждать защиту вследствие термических напряжений, привносимых неравномерным нагревом и ВТСП-сердечником, поскольку более высокая температура уменьшает ток, который может переноситься во время поддержания сверхпроводимости и может вызывать резкое повышение 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 непосредственно подвергается ее воздействию. Желательно иметь защитный материал, который может сопротивляться этим эффектам, а также предотвращать достижение нейтронами сверхпроводящих катушек.Fig. 1 shows a section of the central column and illustrates the problems that the protective material must overcome. The central column contains a central core of high temperature superconductor (HTSC) coils 11 and an outer protection layer 12. Depending on the material used for protection, there may be a layer of oxidized protective material 13 on the outer surface. There are three main causes of damage that arise from for plasmas 14. First, the high-energy neutrons 15 produced by the fusion reaction can essentially knock atoms out of the shielding structure, creating damage cascades 16 that propagate through the material and degrade the properties of the materials (such as mechanical, thermal, or superconducting properties). Secondly, the heat flux 17 from the fusion reaction is significant and can damage the shield due to the thermal stresses introduced by uneven heating and the HTS core, since higher temperature reduces the current that can be carried during superconductivity maintenance and can cause the coil resistance to rise sharply. causing the loss of superconductivity of the magnet. Finally, the plasma energy particles will cause ablation 18 of the outer surface of the shield. This not only causes damage to the shield itself, but can also contaminate the plasma if the shield is directly exposed to it. It is desirable to have a shielding material that can resist these effects as well as prevent neutrons from reaching the superconducting coils.

Существующие защитные конструкции также часто используют водяные каналы как для охлаждения защиты, так и для замедления нейтронов (что увеличивает эффективность защиты). Однако это порождает проблемы, поскольку с водой трудно обращаться во время размещения или технического обслуживания аппаратуры - вследствие рисков находящихся под давлением систем, загрязнения, активизации и испарения воды и возможности попадания воды из реактора в окружающую среду при неправильном обращении.Existing shielding structures also often use water channels both to cool the shield and to moderate neutrons (which increases the effectiveness of the shield). However, this creates problems because water is difficult to handle during installation or maintenance of apparatus due to the risks of pressurized systems, contamination, activation and evaporation of water, and the possibility of water from the reactor being released into the environment if handled improperly.

Следовательно, существует потребность в эффективной нейтронной защите, которая не требует воды для замедления.Therefore, there is a need for effective neutron shielding that does not require water for moderation.

Сущность изобретенияThe essence of the invention

Согласно первому аспекту предлагается нейтронная защита. Нейтронная защита содержит множество поглощающих слоев и по меньшей мере один замедляющий слой. Каждый из множества поглощающих слоев содержит борид вольфрама или карбид вольфрама. Упомянутый по меньшей мере один замедляющий слой содержит гидрид металла. Каждый замедляющий слой находится по меньшей мере между двумя поглощающими слоями.According to the first aspect, neutron shielding is proposed. The neutron shield contains a plurality of absorbing layers and at least one moderating layer. Each of the plurality of absorbent layers contains tungsten boride or tungsten carbide. Said at least one retardation layer contains a metal hydride. Each slowing layer is located between at least two absorbing layers.

Согласно второму аспекту предлагается нейтронная защита. Нейтронная защита содержит гидрид металла. Гидрид металла содержит нейтронопоглощающий элемент, который:According to the second aspect, neutron shielding is proposed. The neutron shield contains a metal hydride. The metal hydride contains a neutron absorbing element that:

имеет среднее сечение поглощения нейтронов, которое больше 0,1 Б (барн) в диапазоне энергии нейтронов между 0,02 и 0,03 эВ; и имеет растворимость по меньшей мере 1 мол.% в твердой фазе со всеми другими металлами в сплаве.has an average neutron absorption cross section that is greater than 0.1 B (barn) in the neutron energy range between 0.02 and 0.03 eV; and has a solid phase solubility of at least 1 mol% with all other metals in the alloy.

Среднее сечение поглощения нейтронов является средним значением сечений поглощения нейтронов в указанном диапазоне всех изотопов этого присутствующего элемента (взвешенных по их чисThe mean neutron absorption cross section is the average of the neutron absorption cross sections in the specified range of all isotopes of that element present (weighted by their number).

- 1 043044 ленности). Распределение изотопов нейтронопоглощающего элемента может соответствовать их распространенности в природе или же оно может быть неким другим распределением с требуемым средним сечением поглощения нейтронов.- 1 043044 laziness). The isotope distribution of the neutron absorbing element may correspond to their abundance in nature, or it may be some other distribution with the required average neutron absorption cross section.

Согласно третьему аспекту предлагается термоядерный реактор-токамак. Реактор содержит тороидальную плазменную камеру, систему удержания плазмы и нейтронную защиту. Система удержания плазмы выполнена с возможностью создавать магнитное поле для обеспечения удержания плазмы во внутреннем пространстве плазменной камеры. Нейтронная защита является нейтронной защитой по первому или второму аспекту и размещена между внутренним пространством тороидальной плазменной камеры и системой удержания плазмы.According to a third aspect, a tokamak fusion reactor is provided. The reactor contains a toroidal plasma chamber, a plasma confinement system and a neutron shield. The plasma confinement system is configured to create a magnetic field to ensure plasma confinement in the interior of the plasma chamber. The neutron shield is a neutron shield in the first or second aspect and is located between the interior of the toroidal plasma chamber and the plasma confinement system.

Дополнительные варианты осуществления представлены в п.2 и последующих пунктах формулы изобретения.Additional options for implementation are presented in paragraph 2 and subsequent paragraphs of the claims.

Краткое описание фигурBrief description of the figures

Фиг. 1 иллюстрирует нейтронную защиту центральной колонны токамака и проблемы ее конструкции.Fig. 1 illustrates the neutron shielding of the central column of the tokamak and its design problems.

Фиг. 2 является схематичной иллюстрацией примерного нейтронозащитного экрана.Fig. 2 is a schematic illustration of an exemplary neutron shield.

Фиг. 3 является схематичной иллюстрацией еще одного примерного нейтронозащитного экрана.Fig. 3 is a schematic illustration of another exemplary neutron shield.

Фиг. 4 является схематичной иллюстрацией плазменной камеры токамака.Fig. 4 is a schematic illustration of a tokamak plasma chamber.

Подробное описание изобретенияDetailed description of the invention

Эффективный, компактный радиационный экран для уменьшения поглощаемой в чувствительных материалах дозы облучения, происходящего от источника высокоэнергетических нейтронов (таких как в центральной колонне сферического токамака), требует сочетания элементов с большим атомным номером Z (атомной массой) и элементов с малым Z в объемных материалах. Высокоэнергетические нейтроны с кинетическими энергиями больше нескольких МэВ эффективно замедляются по двум главным механизмам: во-первых, посредством ядерных реакций неупругого рассеяния с ядрами с большим Z и, вовторых, посредством упругого рассеяния с ядрами с малым Z. После неупругого рассеяния энергии вторичных нейтронов типично ниже пороговых энергий реакции для последующих ядерных реакций неупругого рассеяния с элементами с большим Z, и поэтому они могут быть эффективно замедлены только посредством элементов с малым Z. Поэтому сочетание элементов с большим Z и малым Z может быть использовано для уменьшения потока высокоэнергетических нейтронов, попадающего на чувствительные материалы за защитным экраном.An efficient, compact radiation shield to reduce the radiation dose absorbed in sensitive materials from a source of high energy neutrons (such as in the central column of a spherical tokamak) requires a combination of elements with high atomic number Z (atomic mass) and elements with low Z in bulk materials. High-energy neutrons with kinetic energies greater than a few MeV are effectively slowed down by two main mechanisms: firstly, through nuclear inelastic scattering reactions with high-Z nuclei and secondly, through elastic scattering with low-Z nuclei. After inelastic scattering, secondary neutron energies are typically lower threshold reaction energies for subsequent nuclear inelastic scattering reactions with high-Z elements, and therefore they can only be effectively slowed down by low-Z elements. Therefore, a combination of high-Z and low-Z elements can be used to reduce the flux of high-energy neutrons incident on sensitive protective screen materials.

Эффективный экран для защиты от высокоэнергетических нейтронов требует четырех основных секций, в порядке от источника нейтронов до защищаемых объектов:An effective high-energy neutron shield requires four main sections, in order from the neutron source to the objects to be protected:

материал, содержащий элементы с большой атомной массой, чтобы понизить энергию нейтронов из плазмы (особенно материал с большим сечением для реакций неупругого рассеяния или размножения нейтронов);a material containing high atomic mass elements to reduce the energy of neutrons from the plasma (especially a material with a large cross section for inelastic scattering or neutron multiplication reactions);

замедлитель нейтронов (т.е. материал, содержащий элементы с малой атомной массой), чтобы дополнительно замедлять нейтроны до оптимальных энергий сечения;a neutron moderator (ie, a material containing low atomic mass elements) to further moderate neutrons to optimal cross-sectional energies;

поглотитель нейтронов, чтобы поглощать замедленные нейтроны;a neutron absorber to absorb delayed neutrons;

гамма-защитный экран, чтобы поглощать гамма-лучи, полученные при взаимодействиях нейтронов на более ранних стадиях.gamma shield to absorb gamma rays produced by earlier neutron interactions.

Если единственный материал или композитный материал может выполнять несколько функций, например в качестве поглотителя нейтронов и гамма-защитного экрана, то две или более секции могут быть объединены.If a single material or composite material can serve multiple functions, such as neutron absorber and gamma shield, then two or more sections can be combined.

В традиционной защите замедлителем нейтронов часто является вода, что требует аккуратного обращения для утилизации и безопасности, как описано выше.In conventional shielding, the neutron moderator is often water, which requires careful handling for disposal and safety, as described above.

Вольфрам является идеальным выбором в качестве составляющего элемента с большим Z для первой стадии благодаря своему большому атомному номеру Z (74) и своей типично большой массе и численной плотности в устойчивых соединениях по сравнению с другими элементами с большим Z, такими как свинец. Бориды вольфрама особенно благоприятны для применений в защите, поскольку они добавляют бор в качестве составляющего элемента нейтронозащитного экрана; бор является эффективным поглотителем нейтронов с низкими энергиями, предотвращающим проникновение низкоэнергетических нейтронов через защитный экран. Кроме того, вольфрам является эффективным поглотителем гаммаизлучения. По существу, бориды вольфрама могут действовать в качестве всех вышеупомянутых секций, за исключением замедлителя нейтронов (поскольку бор не имеет значительного замедляющего эффекта по сравнению, например, с водородом). Карбиды вольфрама также являются благоприятными для применения в защите, поскольку углерод обеспечивает замедление энергетических нейтронов, хоть и не так эффективно как, например, водород - по существу, они могут быть использованы для всех вышеупомянутых секций, но будут в целом превосходить водородсодержащие материалы в качестве замедлителей или борид вольфрама в качестве поглотителей нейтронов.Tungsten is an ideal choice as a high Z constituent element for the first stage due to its high Z atomic number (74) and its typically high mass and number density in stable compounds compared to other high Z elements such as lead. Tungsten borides are particularly favorable for shielding applications as they add boron as a constituent element of the neutron shield; Boron is an effective low energy neutron absorber, preventing low energy neutrons from penetrating the shield. In addition, tungsten is an effective absorber of gamma radiation. Essentially, tungsten borides can act as all of the above sections, with the exception of the neutron moderator (because boron does not have a significant moderating effect compared to, for example, hydrogen). Tungsten carbides are also favorable for shielding applications, as carbon moderates energetic neutrons, although not as effectively as, for example, hydrogen - in fact, they can be used for all of the above sections, but will generally be superior to hydrogen-containing materials as moderators. or tungsten boride as neutron absorbers.

Водород является идеальным замедлителем нейтронов ниже нескольких МэВ и доступен в качестве составляющего элемента многих потенциальных материалов. Однако самые распространенные, вода и углеводороды, являются проблематичными при встраивании в термоядерную энергетическую установку.Hydrogen is an ideal neutron moderator below a few MeV and is available as a constituent of many potential materials. However, the most common ones, water and hydrocarbons, are problematic when incorporated into a fusion power plant.

- 2 043044- 2 043044

Гидриды металлов сравнимы с точки зрения плотности водорода с водой и углеводородами, но остаются твердыми при значительно более высоких температурах, чем вода или типичные углеводороды, при комнатном давлении. Это предоставляет возможность более легкого проектирования конструкций нейтронной защиты (поскольку твердые компоненты легче объединять по сравнению с жидкими компонентами) и приводит в результате к более легкому техническому обслуживанию и выводу из эксплуатации (поскольку существует более низкий риск утечки твердых компонентов).Metal hydrides are comparable in terms of hydrogen density to water and hydrocarbons, but remain solid at significantly higher temperatures than water or typical hydrocarbons at room pressure. This allows for easier design of neutron shield structures (since solid components are easier to combine than liquid components) and results in easier maintenance and decommissioning (since there is a lower risk of leakage of solid components).

По существу, композитный защитный экран, как показано на фиг. 2, который является сэндвичем из борида вольфрама и гидрида металла, с двумя слоями 201, 203 борида вольфрама и слоем 202 гидрида металла между ними, является очень эффективным в качестве нейтронозащитного экрана, предназначенного для защиты чувствительных компонентов 204 от нейтронного облучения 205. Фактически, многослойный защитный экран с чередующимися слоями борида вольфрама (или карбида вольфрама) и гидрида металла, с боридом вольфрама (или карбидом вольфрама) в качестве радиально внешних слоев, будет обычно эффективным.As such, the composite shield as shown in FIG. 2, which is a sandwich of tungsten boride and metal hydride, with two tungsten boride layers 201, 203 and a metal hydride layer 202 in between, is very effective as a neutron shield to protect sensitive components 204 from neutron irradiation 205. In fact, multi-layer a shield with alternating layers of tungsten boride (or tungsten carbide) and metal hydride, with tungsten boride (or tungsten carbide) as the radially outer layers, will generally be effective.

Борид вольфрама может быть предусмотрен в различных формах, например, как цементированный борид вольфрама (частицы борида вольфрама в металлической матрице), спеченный борид вольфрама или как сплав с металлическим вольфрамом и/или другими элементами и т.д. Может быть использовано любое из соединений борида вольфрама, как требуется конкретными конструктивными соображениями применения в защитном экране. Одним перспективным подходом является двухфазная структура вольфрама с W2B, которая может быть сформирована в известном процессе, подразумевающем вакуумное горячее прессование чистого вольфрама с нитридом бора, дающем материал с полезными термическими и механическими свойствами.The tungsten boride can be provided in various forms, such as cemented tungsten boride (particles of tungsten boride in a metal matrix), sintered tungsten boride, or as an alloy with metallic tungsten and/or other elements, etc. Any of the tungsten boride compounds may be used as required by the particular design considerations for the shield application. One promising approach is the two-phase structure of tungsten with W 2 B, which can be formed in a known process involving vacuum hot pressing of pure tungsten with boron nitride, yielding a material with useful thermal and mechanical properties.

Карбид вольфрама может также быть предусмотрен в различных формах, например, как цементированный карбид вольфрама (частицы карбида вольфрама в металлической матрице) или как металлокерамический карбид вольфрама (кермет), реактивно спеченный карбид/борид вольфрама или монолитный карбид вольфрама.The tungsten carbide can also be provided in various forms, for example, as cemented tungsten carbide (particles of tungsten carbide in a metal matrix) or as sintered tungsten carbide (cermet), reaction sintered tungsten carbide/boride, or solid tungsten carbide.

Потенциальные гидриды металлов для использования в качестве замедлителя включают гидрид лития (LiHx), гидрид гафния (HfHx), гидрид иттрия (YHx) и гидрид циркония (ZrHx) или их сочетания. В каждом случае гидрид был идентифицирован с помощью химической формулы самого распространенного соединения, но могут быть использованы и другие гидриды (или их сочетания, или сплавы с чистым металлом). Точное отношение x водорода к металлу может быть выбрано на основе степени требуемого замедления, требуемых структурных свойств и будет в общем составлять между 0,1 и 4 или между 1 и 2. Значение 1,33 было использовано в моделирующем испытании нейтронной защиты.Potential metal hydrides for use as a moderator include lithium hydride (LiH x ), hafnium hydride (HfHx), yttrium hydride (YH x ), and zirconium hydride (ZrH x ), or combinations thereof. In each case, the hydride has been identified by the chemical formula of the most common compound, but other hydrides (or combinations thereof, or pure metal alloys) may be used. The exact ratio x of hydrogen to metal can be chosen based on the degree of retardation required, the structural properties required, and will generally be between 0.1 and 4, or between 1 and 2. A value of 1.33 was used in a simulated neutron shield test.

Борид вольфрама будет обычно составлять большую часть защиты, с суммарной толщиной слоев борида вольфрама, составляющей между 75 и 99% суммарной толщины борида вольфрама и гидрида металла, более конкретно - между 80 и 95% суммарной толщины борида вольфрама и гидрида металла. Слой 201 борида вольфрама, обращенный к источнику нейтронов (т.е. один из внешних слоев борида вольфрама), может составлять между 30 и 90% суммарной толщины борида вольфрама и гидрида металла, более конкретно - между 40 и 80% их суммарной толщины. Хотя слой 201 изображен на фиг. 2 как единственный слой, он может быть построен из множества отдельных слоев. Один из других слоев борида вольфрама (т.е. тот слой, где слой гидрида металла находится между этим слоем и обращенным к нейтронам слоем, в общем, конечный слой 203) может составлять по меньшей мере 10% суммарной толщины борида вольфрама и гидрида металла. Будет понятно, что верхний предел толщины других слоев борида вольфрама определяется разницей между суммарной толщиной борида вольфрама и толщиной борида вольфрама в обращенном к нейтронам слое.Tungsten boride will typically make up the majority of the protection, with the total thickness of the tungsten boride layers being between 75% and 99% of the total thickness of tungsten boride and metal hydride, more specifically between 80% and 95% of the total thickness of tungsten boride and metal hydride. The tungsten boride layer 201 facing the neutron source (i.e., one of the outer layers of tungsten boride) may be between 30% and 90% of the total thickness of the tungsten boride and metal hydride, more specifically between 40% and 80% of their total thickness. Although layer 201 is depicted in FIG. 2 as a single layer, it can be built from many individual layers. One of the other tungsten boride layers (i.e., the layer where the metal hydride layer is between this layer and the neutron-facing layer, generally end layer 203) may be at least 10% of the combined thickness of the tungsten boride and metal hydride. It will be understood that the upper limit of the thickness of the other tungsten boride layers is determined by the difference between the total thickness of the tungsten boride and the thickness of the tungsten boride in the neutron facing layer.

В любом вышеприведенном обсуждении борид вольфрама (WB) может быть заменен карбидом вольфрама (WC) или сочетанием борида вольфрама и карбида вольфрама.In any of the above discussion, tungsten boride (WB) may be replaced by tungsten carbide (WC) or a combination of tungsten boride and tungsten carbide.

Также могут хорошо работать конструкции с дополнительными слоями HfHx и WB, например с множественными слоями HfHx, каждый из которых разделен слоями WB или WC, и имеющие слои WB или WC в качестве радиально внешних слоев. Аналогичные составы будут, как ожидается, хорошо работать в случае других гидридов металлов.Designs with additional HfH x and WB layers may also work well, such as with multiple HfH x layers each separated by WB or WC layers and having WB or WC layers as radially outer layers. Similar formulations are expected to work well for other metal hydrides.

Моделирования слоистой WB-HfHx-WB защиты (с x=1,33) обеспечили защиту, которая была вплоть до 5 раз более эффективной (т.е. привела в результате в 5 раз меньшему энергетическому воздействию на нижележащие компоненты), чем контрольная защита из карбида вольфрама и воды той же суммарной толщины. Ее корректирование для практически получаемых материалов борида вольфрама и гидрида гафния (а не чистого HfHx или конкретного состава борида вольфрама, используемого в моделировании) дало аналогичные результаты.Simulations of layered WB-HfH x -WB protection (with x=1.33) provided protection that was up to 5 times more effective (i.e. resulted in 5 times less energy impact on underlying components) than control protection. from tungsten carbide and water of the same total thickness. Its adjustment for practical tungsten boride and hafnium hydride materials (rather than pure HfHx or the specific tungsten boride composition used in the simulation) gave similar results.

Слои борида или карбида вольфрама могут быть сформированы из композитных материалов, содержащих борид или карбид вольфрама, например кермет с частицами борида или карбида вольфрама в металлической матрице. Дополнительно, как обсуждалось ранее, слой борида/карбида вольфрама может содержать смесь борида или карбида вольфрама, которая может быть композитным материалом с некоторым другим материалом (например, керметом, имеющим как борид вольфрама, так и карбид вольфрама в виде агрегатов).Layers of boride or tungsten carbide can be formed from composite materials containing boride or tungsten carbide, such as cermet with particles of boride or tungsten carbide in a metal matrix. Additionally, as discussed earlier, the tungsten boride/tungsten carbide layer may comprise a mixture of tungsten boride or carbide, which may be a composite material with some other material (eg, cermet having both tungsten boride and tungsten carbide as aggregates).

- 3 043044- 3 043044

Аналогично, слой или слои гидрида металла могут быть сформированы из композитных материалов, содержащих гидрид металла, например плакированный металлом слой гидрида металла. Слои гидрида металла могут содержать гидриды множества металлов в сплаве. Это предоставляет преимущество в том, что кривая термического разложения гидрида сплава (т.е. количество водорода, высвободившегося из материала при температуре) будет иметь более широкий температурный профиль, предоставляя возможность каким-либо системам, предназначенным поглощать или удалять получившийся в результате термического разложения водород, более легко принимать водород. В качестве примера слои гидрида металла могут содержать любое сочетание металлов, известных как образующие друг с другом твердые растворы с объемно-центрированной кубической структурой, например металлов, находящихся в группах 4, 5 и 6 Периодической таблицы (таких как гафний, ниобий, тантал, титан, вольфрам и цирконий), и/или иттрий, гадолиний, бериллий и уран.Similarly, the metal hydride layer or layers can be formed from metal hydride-containing composite materials, such as a metal-clad metal hydride layer. The metal hydride layers may contain multiple metal hydrides in the alloy. This has the advantage that the thermal decomposition curve of the alloy hydride (i.e., the amount of hydrogen released from the material at temperature) will have a broader temperature profile, allowing any systems designed to absorb or remove thermally decomposed hydrogen. , it is more easy to take hydrogen. As an example, the metal hydride layers may contain any combination of metals known to form solid solutions with each other with a body-centered cubic structure, such as metals found in groups 4, 5 and 6 of the Periodic Table (such as hafnium, niobium, tantalum, titanium , tungsten and zirconium), and/or yttrium, gadolinium, beryllium and uranium.

Одной возможностью является использование структуры наподобие высокоэнтропийного сплава, которая имеет несколько (например, по меньшей мере 5) различных металлов, с атомными долями (т.е. числом атомов этого металла, деленным на суммарное число атомов металлов в гидриде) от 5 до 50% (или 5-30%) для каждого металла, так что ни один металл не доминирует в свойствах материала. Как и с гидридами единственного металла, отношение атомов водорода к (суммарному) числу атомов металла в гидриде может составлять между 0,1 и 4, более предпочтительно - между 1 и 2.One possibility is to use a structure like a high entropy alloy that has several (e.g. at least 5) different metals, with atomic fractions (i.e. the number of atoms of that metal divided by the total number of metal atoms in the hydride) from 5 to 50%. (or 5-30%) for each metal so that no single metal dominates the material properties. As with single metal hydrides, the ratio of hydrogen atoms to the (total) number of metal atoms in the hydride can be between 0.1 and 4, more preferably between 1 and 2.

Когда рассматривается возможность композитных материалов, материалы с карбидом и/или боридом вольфрама могут называться поглощающими слоями, а слои гидрида металла могут называться замедляющими слоями. Хотя будет понятно, что эти обозначения не следует воспринимать как ограничивающие функцию того или иного слоя - в зависимости от состава некоторое замедление может иметь место в поглощающем слое и наоборот. Обозначения, главным образом, служат для исключения какойлибо путаницы, которая может подразумевать, что, например, слой борида вольфрама должен быть чисто боридом вольфрама.When composite materials are considered, materials with carbide and/or tungsten boride may be referred to as absorber layers and metal hydride layers may be referred to as retardation layers. Although it will be understood that these designations should not be taken as limiting the function of one layer or another - depending on the composition, some delay may occur in the absorbent layer and vice versa. The designations mainly serve to avoid any confusion which might imply that, for example, the tungsten boride layer must be pure tungsten boride.

Защитный экран может быть непрерывным (как показано на фиг. 2), т.е. с прилегающими друг к другу слоями борида вольфрама и гидрида металла. Альтернативно, как показано на фиг. 3, могут присутствовать каналы 301, 302 для хладагента или другие элементы (например, датчики температуры, излучения и/или механического напряжения) между слоями борида 310 вольфрама и гидрида 320 металла, или в одном или более из этих слоев. Каналы для хладагента могут быть выполнены с возможностью нести жидкий или газообразный хладагент (в качестве хладагента может быть использована вода, и защитный экран будет все еще предоставлять полезную альтернативу существующим конструктивным решениям, даже если не будет достигнуто исключение воды из экрана).The protective screen may be continuous (as shown in FIG. 2), ie. with layers of tungsten boride and metal hydride adjacent to each other. Alternatively, as shown in FIG. 3, coolant channels 301, 302 or other elements (eg, temperature, radiation, and/or stress sensors) may be present between the tungsten boride 310 and metal hydride 320 layers, or in one or more of these layers. The coolant passages can be configured to carry liquid or gaseous coolant (water can be used as the coolant and the shield will still provide a useful alternative to existing designs even if water exclusion from the shield is not achieved).

Максимальная рабочая температура защиты будет обычно определяться температурой термического разложения гидрида металла (т.е. температурой, при которой гидрид металла будет частично разлагаться и высвобождать водород). Фактическая рабочая температура может быть слегка выше температуры термического разложения, поскольку некоторое высвобождение водорода может быть дозволено техническим обоснованием безопасности эксплуатации реактора. Инкапсуляция гидрида металла нержавеющей сталью или аналогичным может быть использована для того, чтобы предотвращать высвобождение водорода в систему реактора. Для применений с низкой или неустановившейся нейтронной нагрузкой, таких как термоядерные реакторы с длительностью импульса менее 10 с, непосредственное охлаждение защиты, как правило, не потребуется (хотя может быть предусмотрено в качестве меры предосторожности). В применениях с устойчивой высокой нейтронной нагрузкой охлаждение потребуется для того, чтобы поддерживать защиту ниже температур термического разложения используемого гидрида металла. В общем, для гидрида гафния и гидрида иттрия температура должна поддерживаться ниже примерно 600°C, для гидрида циркония температура должна поддерживаться ниже примерно 300°C, а для гидрида лития температура должна поддерживаться ниже примерно 200°C.The maximum operating temperature of the protection will generally be determined by the thermal decomposition temperature of the metal hydride (ie, the temperature at which the metal hydride will partially decompose and release hydrogen). The actual operating temperature may be slightly higher than the thermal decomposition temperature, as some release of hydrogen may be allowed by the safety engineering of the reactor. Encapsulation of the metal hydride with stainless steel or the like can be used to prevent the release of hydrogen into the reactor system. For applications with low or transient neutron loads, such as fusion reactors with pulse durations less than 10 s, direct cooling of the shield will not normally be required (although it may be provided as a precautionary measure). In applications with a sustained high neutron load, refrigeration will be required to keep the shielding below the thermal decomposition temperatures of the metal hydride used. In general, for hafnium hydride and yttrium hydride, the temperature must be maintained below about 600°C, for zirconium hydride, the temperature must be maintained below about 300°C, and for lithium hydride, the temperature must be maintained below about 200°C.

Охлаждение может быть обеспечено посредством каналов для хладагента в защите (как описано кратко выше) или посредством проведения тепла в каналы для хладагента снаружи слоев защиты.Cooling may be provided by coolant passages in the shield (as described briefly above) or by conduction of heat into coolant passages outside the shield layers.

Фиг. 4 показывает плазменную камеру токамака для использования в качестве термоядерного реактора, которая содержит плазменный сосуд 41 и магнитную систему 42 удержания плазмы, предназначенную для обеспечения удержания плазмы 43. Токамак также содержит нейтронную защиту 44, 45, расположенную между плазменным сосудом и магнитной системой удержания плазмы, в секции 44 нейтронной защиты центральной колонны и секции 45 внешней защиты.Fig. 4 shows a tokamak plasma chamber for use as a fusion reactor which includes a plasma vessel 41 and a magnetic plasma confinement system 42 to provide plasma confinement 43. The tokamak also includes a neutron shield 44, 45 located between the plasma vessel and the magnetic plasma confinement system, in the neutron shield section 44 of the central column and the outer shield section 45.

Хотя вышесказанное было главным образом направлено на многослойный защитный экран, аналогичные принципы могут быть применены для обеспечения однослойного нейтронозащитного экрана, содержащего гидриды металлов. Например, может быть предусмотрен нейтронозащитный экран, который содержит нейтронопоглощающий и замедляющий материал, который является гидридом металлического сплава, содержащего по меньшей мере один нейтронопоглощающий элемент. В терминах этого раскрытия нейтронопоглощающий элемент имеет среднее сечение поглощения нейтронов, которое больше 0,1 Б (барн) в диапазоне энергии нейтронов между 0,02 и 0,03 эВ. Среднее сечение поглощения нейтронов является средним значением сечений поглощения нейтронов в указанном диапазоне всехWhile the foregoing has been primarily directed to a multilayer shield, similar principles can be applied to provide a single layer neutron shield containing metal hydrides. For example, a neutron shield may be provided that contains a neutron absorbing and moderating material that is a metal alloy hydride containing at least one neutron absorbing element. In terms of this disclosure, the neutron absorbing element has an average neutron absorption cross section that is greater than 0.1 B (barn) in the neutron energy range between 0.02 and 0.03 eV. The average neutron absorption cross section is the average value of the neutron absorption cross sections in the indicated range of all

- 4 043044 изотопов этого присутствующего элемента (взвешенных по их численности). Распределение изотопов нейтронопоглощающего элемента может соответствовать их распространенности в природе или же оно может быть неким другим распределением с требуемым средним сечением поглощения нейтронов. Подходящие элементы для сплава являются теми же, что и элементы, обсуждавшиеся выше для гидрида металла в многослойном решении. Подходящие нейтронопоглощающие элементы включают гафний, вольфрам, бор, диспрозий и гадолиний (которые все подходят при своем естественном изотопном составе, но могут использоваться с другим изотопным составом).- 4,043,044 isotopes of that element present (weighted by their abundance). The isotope distribution of the neutron absorbing element may correspond to their abundance in nature, or it may be some other distribution with the required average neutron absorption cross section. Suitable elements for the alloy are the same as those discussed above for the metal hydride in the multilayer solution. Suitable neutron absorbing elements include hafnium, tungsten, boron, dysprosium, and gadolinium (all of which are suitable at their natural isotopic composition but may be used with other isotopic compositions).

Доля нейтронопоглощающего элемента может составлять по меньшей мере 5 мол.%. Отношение водорода к другим элементам в таком материале составляет между 0,1 и 4, более предпочтительно - между 1 и 2. Материал может быть высокоэнтропийным сплавом, содержащим по меньшей мере пять элементов, отличных от водорода (по меньшей мере один из которых является сильно нейтронопоглощающим элементом), причем каждый из неводородных элементов составляет между 5 и <50 мол.% сплава (по атомной доле, исключая водород). Материал может быть гидридом нейтронопоглощающего элемента.The proportion of the neutron absorbing element may be at least 5 mol%. The ratio of hydrogen to other elements in such a material is between 0.1 and 4, more preferably between 1 and 2. The material may be a high entropy alloy containing at least five elements other than hydrogen (at least one of which is highly neutron absorbing). element), with each of the non-hydrogen elements comprising between 5 and <50 mole % of the alloy (by atomic fraction, excluding hydrogen). The material may be a neutron absorbing element hydride.

Такой материал может также быть использован как часть многослойного защитного экрана, например экрана, содержащего нейтронопоглощающий и замедляющий материал в дополнение к другим материалам, которые поглощают или замедляют нейтроны, или экрана, содержащего нейтронопоглощающий и замедляющий материал и оболочку или аналогичный защитный слой.Such material may also be used as part of a multi-layer protective shield, such as a shield containing a neutron absorbing and moderating material in addition to other materials that absorb or moderating neutrons, or a shield containing a neutron absorbing and moderating material and a sheath or similar protective layer.

Материал может быть градиентным, так что его состав варьируется по его толщине. Например, может иметься более высокая доля нейтронопоглощающего материала ближе к радиально внешним поверхностям нейтронной защиты и более высокая доля водорода ближе к радиально внутренним поверхностям нейтронной защиты.The material may be graded so that its composition varies across its thickness. For example, there may be a higher proportion of neutron absorbing material closer to the radially outer surfaces of the neutron shield and a higher proportion of hydrogen closer to the radially inner surfaces of the neutron shield.

Claims (14)

1. Нейтронная защита, содержащая:1. Neutron shielding, comprising: множество поглощающих слоев, каждый из которых содержит борид вольфрама или карбид вольфрама; и по меньшей мере один замедляющий слой, содержащий гидрид металла;a plurality of absorbent layers each containing tungsten boride or tungsten carbide; and at least one retardation layer containing a metal hydride; при этом каждый замедляющий слой находится по меньшей мере между двумя поглощающими слоями;wherein each slowing layer is located between at least two absorbing layers; и выполненная так, что при применении самый внешний поглощающий слой расположен между смежным замедляющим слоем и источником нейтронов.and configured such that, in use, the outermost absorbing layer is located between the adjacent moderating layer and the neutron source. 2. Нейтронная защита по п.1, при этом гидрид металла содержит один или более металлов из групп 4, 5 и 6 Периодической таблицы и/или иттрий, бериллий, гадолиний или уран.2. Neutron protection according to claim 1, wherein the metal hydride contains one or more metals from groups 4, 5 and 6 of the Periodic Table and/or yttrium, beryllium, gadolinium or uranium. 3. Нейтронная защита по п.2, при этом гидрид металла содержит один или более из гафния, ниобия, тантала, титана, иттрия и циркония.3. Neutron shielding according to claim 2, wherein the metal hydride contains one or more of hafnium, niobium, tantalum, titanium, yttrium, and zirconium. 4. Нейтронная защита по любому предшествующему пункту, при этом гидрид металла содержит по меньшей мере пять металлов, причем каждый металл имеет атомную долю от 5 до 50 мол.% по сравнению с суммарным числом атомов металлов в гидриде металла.4. Neutron shielding according to any one of the preceding claims, wherein the metal hydride contains at least five metals, each metal having an atomic fraction of 5 to 50 mol% compared to the total number of metal atoms in the metal hydride. 5. Нейтронная защита по любому предшествующему пункту, при этом гидрид металла имеет отношение атомов водорода к атомам металла между 0,1 и 4, более предпочтительно между 1 и 2.5. Neutron shielding according to any one of the preceding claims, wherein the metal hydride has a ratio of hydrogen atoms to metal atoms between 0.1 and 4, more preferably between 1 and 2. 6. Нейтронная защита по любому предшествующему пункту, при этом каждый поглощающий слой содержит сплав металлического вольфрама и борида и/или карбида вольфрама.6. Neutron shielding according to any one of the preceding claims, wherein each absorbing layer comprises an alloy of tungsten metal and tungsten boride and/or carbide. 7. Нейтронная защита по любому предшествующему пункту, при этом суммарная толщина поглощающих слоев составляет по меньшей мере 75% общей совокупной толщины поглощающих слоев и замедляющих слоев, более предпочтительно между 80 и 95%.7. Neutron shielding according to any preceding claim, wherein the total thickness of the absorbing layers is at least 75% of the total combined thickness of the absorbing layers and moderating layers, more preferably between 80 and 95%. 8. Нейтронная защита по любому предшествующему пункту, при этом самый внешний поглощающий слой имеет толщину, которая составляет между 30 и 90% общей совокупной толщины поглощающих слоев и замедляющих слоев, более предпочтительно между 40 и 80%.8. Neutron shielding according to any preceding claim, wherein the outermost absorbing layer has a thickness that is between 30% and 90% of the total combined thickness of the absorbing layers and moderating layers, more preferably between 40% and 80%. 9. Нейтронная защита по п.8, при этом дополнительный поглощающий слой, который не является самым внешним поглощающим слоем, имеет толщину, которая составляет по меньшей мере 10% общей совокупной толщины поглощающих слоев и замедляющих слоев.9. Neutron shielding according to claim 8, wherein the additional absorbing layer, which is not the outermost absorbing layer, has a thickness that is at least 10% of the total combined thickness of the absorbing layers and moderating layers. 10. Нейтронная защита по любому предшествующему пункту, содержащая каналы для хладагента, расположенные между поглощающими слоями и замедляющими слоями.10. Neutron shielding according to any one of the preceding claims, comprising coolant channels located between the absorbing layers and the moderating layers. 11. Нейтронная защита по любому предшествующему пункту, содержащая каналы для хладагента, встроенные в один или более из поглощающих слоев и/или замедляющих слоев.11. Neutron shielding according to any preceding claim, comprising coolant channels embedded in one or more of the absorbing layers and/or moderating layers. 12. Узел нейтронной защиты, содержащий нейтронную защиту по п.10 или 11 и источник хладагента, соединенный с каналами для хладагента, при этом источник хладагента выполнен с возможностью поддерживать нейтронную защиту при температуре ниже температуры разложения гидрида металла.12. A neutron shield assembly comprising a neutron shield according to claim 10 or 11 and a coolant source connected to the coolant channels, the coolant source being configured to maintain the neutron shield at a temperature below the decomposition temperature of the metal hydride. 13. Термоядерный реактор-токамак, содержащий:13. Thermonuclear tokamak reactor, containing: тороидальную плазменную камеру;toroidal plasma chamber; - 5 043044 систему удержания плазмы, выполненную с возможностью создавать магнитное поле для обеспечения удержания плазмы во внутреннем пространстве плазменной камеры;- 5 043044 a plasma confinement system configured to create a magnetic field to ensure plasma confinement in the interior of the plasma chamber; нейтронную защиту по любому из пп.1-11, размещенную между внутренним пространством тороидальной плазменной камеры и системой удержания плазмы, так что самый внешний слой обращен к внутреннему пространству тороидальной плазменной камеры.a neutron shield according to any one of claims 1 to 11 placed between the interior of the toroidal plasma chamber and the plasma confinement system such that the outermost layer faces the interior of the toroidal plasma chamber. 14. Термоядерный реактор-токамак по п.13, при этом нейтронная защита является нейтронной защитой по п.10 или 11 и содержит источник хладагента, соединенный с каналами для хладагента, при этом источник хладагента выполнен с возможностью поддерживать нейтронную защиту при температуре ниже температуры разложения гидрида металла.14. The tokamak fusion reactor according to claim 13, wherein the neutron shield is the neutron shield according to claim 10 or 11 and comprises a coolant source connected to the coolant channels, the coolant source being configured to maintain the neutron shield at a temperature below the decomposition temperature metal hydride.
EA202291721 2019-12-20 2020-12-15 MULTILAYER NEUTRON SHIELD EA043044B1 (en)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
GB1919059.4 2019-12-20
GB2015029.8 2020-09-23

Publications (1)

Publication Number Publication Date
EA043044B1 true EA043044B1 (en) 2023-04-20

Family

ID=

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2713484C2 (en) Protection materials for thermonuclear reactors
Chen et al. Recent studies on potential accident-tolerant fuel-cladding systems in light water reactors
Carpenter Pulsed spallation neutron sources for slow neutron scattering
Tillack et al. The use of water in a fusion power core
Conn et al. New concepts for controlled fusion reactor blanket design
EP4078623B1 (en) Layered neutron shielding
Moir et al. Mirror-based hybrids of recent design
EA043044B1 (en) MULTILAYER NEUTRON SHIELD
JP2023554681A (en) Improved material for tungsten boride neutron shield
Ball Maximizing specific energy by breeding deuterium
US20230132031A1 (en) Neutron absorbing embedded hydride shield
Wong et al. Blanket design for the ARIES-I tokamak reactor
Zhou et al. Research on Tritium Behavior Issues in High-Temperature Gas-Cooled Reactors
US20230023052A1 (en) Fully ceramic encapsulated radioactive heat source
Knyshev et al. Subcriticality control elements in a reactor system with an extended plasma source of neutrons with regard for temperature
Hollis Nuclear industry applications for thermal spray
Garkusha et al. Influence of AR injection on shielding layer properties and surface protection from transient high heat loads under the QSPA plasma exposures
CN116670784A (en) Improved materials for tungsten boride neutron shielding
Honga Effect of Blanket Configuration on Transmutation Performance of a Fusion-Driven System
Carlson A thermal energy conversion system for a fusion reactor
Bombarda et al. A High Field Tokamak Neutron Source Facility
Gruen et al. Materials for thermonuclear fusion reactors
Ludewig et al. Conceptual design studies of a neutron source at the BNL-HFBR facility
Bauer Medium-power spallation neutron sources for research applications
Honga et al. Impact of Shield Material in the Design of a LAR Tokamak Reactor