KR20230124629A - 텅스텐 보라이드 중성자 차폐물을 위한 개선된 재료 - Google Patents

텅스텐 보라이드 중성자 차폐물을 위한 개선된 재료 Download PDF

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콜린 윈저
사무엘 에이. 험프리-베이커
제임스 데이비슨
찰스 맥파진
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토카막 에너지 리미티드
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Abstract

중성자 차폐물 내에서의 디텅스텐 펜타보라이드 W2B5의 용도가 개시된다.

Description

텅스텐 보라이드 중성자 차폐물을 위한 개선된 재료
본 발명은 핵융합 반응기를 위한 중성자 차폐물 재료(neutron shielding materials)에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 텅스텐 보라이드를 포함하는 중성자 차폐물에 관한 것이다.
핵융합 전력을 생산하는 문제는 매우 복잡하다. 핵융합 중성자는, 중수소-삼중수소(D-T) 또는 중수소-중수소(D-D) 플라즈마가 가열되어 핵이 쿨롱 정전기 반발력을 극복할 수 있는 충분한 에너지를 갖게 됨으로써 서로 융합하여 에너지가 넘치는 중성자 및 핵융합 생성물(예를 들어, D-T의 경우 4He)을 방출할 때, 생성된다. 현재까지, 이를 달성하는 가장 유망한 방법은 토카막 장치를 사용하는 것이다; 핵융합에 대한 종래의 토카막 접근 방식(ITER에 의해 구현됨)에서 플라즈마는 이 공정을 최적화하기 위해 높은 구속 시간, 고온, 및 고밀도를 가져야 한다.
토카막은 강력한 토로이달 자기장 BT, 높은 플라즈마 전류 Ip 및 통상적으로 큰 플라즈마 부피와 및 상당한 보조 가열의 조합을 특징으로 하며, 그 결과, 고온에서 안정적인 플라즈마를 제공하여 핵융합이 발생할 수 있도록 한다. 보조 가열(예를 들어, 수십 메가와트의 고에너지 H, D 또는 T의 중성 빔 주입을 통한 보조 가열)은, 온도를 핵융합 발생에 필요한 충분히 높은 값으로 높이고, 및/또는 플라즈마 흐름을 유지하는 데 필요하다.
반응기를 가능한 한 작게 만들기 위해(이는, 특히 "구형 토카막(spherical tokamak)" 플라즈마 구성의 경우 더 큰 효율을 가능하게 함), 방사선 차폐물(radiation shielding)의 두께는 가능한 한 감소되어야 하고, 동시에 여전히 다른 부품들에 대한 적절한 보호를 유지하여야 한다. 플라즈마와 필드 코일 사이의 거리를 최소화하면, 코일의 전류를 낮추고 플라즈마의 자기장을 높일 수 있다.
도 1은 중앙 컬럼의 단면을 보여주며, 차폐물 재료가 극복해야 하는 문제를 도시한다. 중앙 컬럼은 고온 초전도체(HTS) 코일(11)의 중앙 코어 및 차폐물 외층(12)을 포함한다. 차폐물에 사용되는 재료에 따라, 고온에서 작동하는 동안 차폐물(shield)이 공기에 노출되면, 외부 표면 상에 산화된 차폐물 재료 층(13)이 존재할 수 있다. 플라즈마(14)에서 발생하는 세 가지 주요 손상 원인이 있다. 첫째, 핵융합 반응에 의해 생성된 고에너지 중성자(15)는 본질적으로 차폐물 구조체로부터 원자를 떨어뜨려, 재료를 통해 전파되고 재료 특성(예를 들어, 기계적, 열적 또는 초전도 특성들)을 저하시키는 손상 캐스케이드(damage cascades)(16)를 생성할 수 있다. 둘째, 핵융합 반응으로부터의 열 플럭스(17)는 상당하고, 불균일한 가열 및 HTS 코어에 의해 유발된 열 응력으로 인해 차폐물을 손상시킬 수 있는데, 이는, 더 높은 온도는, 초전도성을 유지하면서 운반할 수 있는 전류를 감소시키고 코일이 갑자기 저항을 얻어 자석이 퀀칭되도록 할 수 있기 때문이다. 마지막으로, 플라즈마의 고에너지 입자는 차폐물의 외부 표면을 마멸(18)시킬 것이다. 이는 차폐물 자체에 손상을 줄 뿐만 아니라, 차폐물이 그것에 직접 노출될 경우 플라즈마를 오염시킬 수도 있다. 중성자가 초전도 코일에 도달하는 것을 방지할 뿐만 아니라 이러한 효과에 저항할 수 있는 차폐물 재료를 갖는 것이 바람직하다.
현재의 차폐물 설계는 또한 종종, 차폐물을 냉각하고 중성자를 감속(차폐물의 효과를 증가시킴)하기 위해 수로(water channels)를 이용한다. 그러나, 이는, 가압 시스템의 위험, 물의 오염, 활성화 및 기화, 및 잘못 취급할 경우 반응기로부터 물이 환경으로 유입될 가능성으로 인해, 적용처의 폐기 또는 유지관리 동안 물을 취급하기가 어렵기 때문에 문제가 된다.
따라서, 감속을 위해 물을 필요로 하지 않는 효과적인 중성자 차폐물이 요구되고 있다.
본 발명의 제1 양태에 따르면, 중성자 차폐물 내에서의 디텅스텐 펜타보라이드 W2B5의 용도가 제공된다.
제2 양태에 따르면, 디텅스텐 펜타보라이드 W2B5를 포함하는 중성자 차폐물(neutron shielding)이 제공된다.
제3 양태에 따르면, 플라즈마 챔버, 토로이달 필드 코일, 복수의 폴로이달 필드 코일들, 및 플라즈마 챔버의 내부와 토로이달 또는 폴로이달 필드 코일 사이에 배치된 중성자 차폐물을 포함하는 토카막 핵융합 반응기가 제공되며, 여기서 중성자 차폐물은 제2 양태에 따른 차폐물이다.
도 1은 토카막의 중앙 컬럼에 있는 차폐물 층을 도식적으로 보여준다.
도 2는 텅스텐 보라이드 및 카바이드 차폐물 재료에 대한 중성자 플럭스를 나타내는 그래프이다.
도 3은 텅스텐 보라이드 및 카바이드 차폐물 재료에 대한 중성자로부터의 그리고 감마로부터의 에너지 부여(energy deposition)를 나타내는 그래프이다.
도 4는 텅스텐에 대한 차폐물 재료 내의 붕소 또는 탄소 및 그 합계의 원자 밀도들을 나타내는 그래프이다.
도 5는 중성자 차폐물 내의 다양한 수준에서의 붕소 함량의 함수로서 텅스텐 보라이드 재료에 대한 30년 작동 후에 남아있는 10B 동위원소의 분율을 나타내는 그래프이다.
도 6은 차폐물 재료 내의 10B 동위원소의 다양한 동위원소 농도에 대한 HTS 코어(도 1에서와 같은)의 피크 중성자 플럭스를 나타내는 그래프이다.
이전의 중성자 차폐물 개념은 텅스텐 카바이드 및/또는 텅스텐이 풍부한 보라이드를 기반으로 하였다. 텅스텐은 그것의 높은 Z 수로 인해, 뿐만 아니라 텅스텐 화합물의 전형적으로 높은 밀도로 인해, 효과적인 광자 흡수체이다. 텅스텐은 또한, ~14 MeV에서의 입사 중성자의 에너지를 감소시키는 비탄성 산란체(inelastic scatterer)로서 효과적이다. 텅스텐 카바이드는, 탄소가 다소 효과적인 중성자 감속재(요컨대, 텅스텐이 중성자를 더 쉽게 흡수할 수 있도록 중성자를 느리게 함)라는 점에서 추가적인 이점을 제공한다. 텅스텐 보라이드는, 붕소가 통상적인 텅스텐 기반 차폐물을 침투할 수 있는 저에너지 중성자의 효과적인 흡수제라는 점에서, 추가적인 이점을 제공한다.
텅스텐 카바이드 및 보라이드의 가능한 조성을 연구하는 동안, 놀랍게도 밝혀진 바에 따르면, 특정 화학양론비의 텅스텐 보라이드 W2b5(디텅스텐 펜타보라이드)는, 토카막 핵융합 반응기에서 예상되는 강도 및 에너지 범위에서, 감마선 및 중성자 둘 다에 대해, 다른 텅스텐 보라이드 또는 카바이드보다 훨씬 더 효과적인 차폐물 재료이다.
도 2는, 중성자 흡수에 대한 (비교로서 텅스텐 및 텅스텐 카바이드를 갖는) 다양한 텅스텐 보라이드 재료들의 시뮬레이션 결과를 보여주며, 여기서 201은 물 감속재 층이 있는 경우이고, 202는 물 감속재 층이 없는 경우이다. 측정은 토카막 핵융합 반응기의 고온 초전도 HTS 중앙 컬럼에 대한 중성자 플럭스에 대한 것이므로, 값이 낮을수록 더 좋다. 눈금은 로그 스케일이다. 고려되는 텅스텐 보라이드는 W2B, WB, W2B5, 및 WB4이다. 또한, 텅스텐 카바이드(WC, Y축으로부터의 수평선으로 표시됨) 및 더 복잡한 복합재료인 B0.329C0.074Cr0.024Fe0.274W0.299가 고려된다.
차트에서 볼 수 있듯이, W2B5는 중성자 흡수에 대해 다른 조성물들보다 현저하게 뛰어난 성능을 보인다. 실제로, W2B5는 물 감속재가 더 많은 W2B5에 의해 대체되면 성능이 증가하는 충분히 우수한 흡수제인데, 이는, 물의 감속 효과가, 감속재를 위한 공간을 만들기 위해 제거된 재료를 물리치는 충분한 부양 효과를, 잔류하는 W2B5에 제공하지 않기 때문이다 - 즉, 통상적으로 감속재의 존재는, 더 느린 중성자를 흡수하기 위한 더 큰 단면적으로 인해, 더 많은 중성자가 흡수되는 것을 가능하게 할 것이지만, 이 효과는 W2B5의 증가된 수분 흡수 능력에 의해 완전히 상쇄된다.
도 3은, 중성자에 의한 직접 에너지 부여 및 감마선에 의한 2차 에너지 부여 둘 다에 대해, 도 2와 동일한 시뮬레이션에서 HTS 재료에 대한 실제 에너지 부여를 보여준다. 도시된 그래프들은, 물 감속재가 있는 경우(301) 및 없는 경우(302)의 감마 에너지 부여에 대한 것이고, 또한 물 감속재가 있는 경우(303) 및 없는 경우(304)의 중성자 에너지 부여에 대한 것이다. 앞에서와 마찬가지로, 값이 낮을수록 더 좋고, 동일한 화합물들이 플롯된다. 이 차트에서, W2b5가 모든 경우에서 이번에도 최고의 성능을 발휘한다는 것을 알 수 있다. HTS에 도달하는 중성자가 더 높은 에너지를 갖기 때문에, 중성자 플럭스가 다 낮음에도 불구하고, 중성자에 의한 직접 에너지 부여는 물 감속재 없이 더 높다. 그러나, 감마선을 통한 2차 부여는 감속재 없는 W2b5의 경우에 더 낮고, 그래프의 로그 스케일을 고려할 때, 이 경우 총 에너지 부여도 더 낮아질 것임을 알 수 있다.
이론화하자면, 이는 W2b5의 특히 치밀한 결정 구조(close-packed crystal structure)로 인해 발생하는데, 이러한 W2b5의 특히 치밀한 결정 구조는, 텅스텐 보라이드(~13 g/cm3) 중에서 비정상적으로 높은 밀도, 및 그에 따라 다른 화학양론비들과 비교할 때 예상되는 것보다 텅스텐 및 붕소 둘 다의 더 큰 원자 수 밀도(즉, 단위 부피당 원자의 개수)를 갖는다. 이는, 텅스텐(401) 및 붕소 또는 탄소(402)의 원자 밀도(입방 센티미터당 원자 개수), 및 순수 텅스텐, 텅스텐 카바이드 및 텅스텐 보라이드의 다양한 화학양론비들에 대한 총합(403)을 보여주는 도 3에 나타나 있다. 볼 수 있듯이, W2B5는 고려된 모든 화학양론비들 중에서 가장 높은 붕소 원자 밀도를 가지며, 텅스텐의 원자 밀도에 대한 추세선보다 훨씬 위에 있다. 텅스텐 및 붕소를 둘 다 포함한 총 원자 밀도도 가장 높다. 이는, 붕소 및 텅스텐이 차폐물에서 중요한 역할을 하기 때문에, 중요하다.
주목되어야 하는 바와 같이, W2B5의 정확한 구조에 대해 과학계 내에서 약간의 논쟁이 있다. 공간 군 P63/mmc를 갖는 구조 내에, 흑연 유사 평면 층들 및 축합된 사이클로헥산 유사 의자들(condensed cyclohexane-like chairs)로 이루어진 교번하는 붕소 층들(붕소 층들 사이에 텅스텐 원자들이 위치되어 있음)을 포함하는 텅스텐 보라이드 상이 존재하는 것으로 알려져 있다. 이 구조가 W2B5이려면, 각각의 사이클로헥산 유사 고리의 중심에 추가 붕소 원자가 함유될 것이며, 논쟁은 이 배열이 안정적인지 여부에 대해 집중된다. 추가된 붕소 원자가 완전히 없는 경우, 상기 구조는 W2B4로서 올바르게 식별될 것이고, 부분 점유(즉, 붕소 원자가 상기 구조의 일부 단위들에 존재하지만 다른 단위들에는 없음)만이 있는 경우에는, 상기 구조는 W2b4+x로서 올바르게 식별될 것이다. 그러나, W2B5가 문헌에서 이 구조에 대한 가장 통상적인 설명이며, 따라서 본 명세서에서는 이 용어가 사용된다. W2B4 또는 W2B4+x 구조가 올바른 경우, 상(phase) 내 붕소의 비율은 본 명세서에서 설명된 것보다 약간 낮을 것이지만, 이것이 중성자 차폐물에 사용하기에 가장 우수한 상이라는 전체적인 결론은 동일하게 유지되며, 본 명세서에서 W2B5의 언급은 올바른 화학식에 대한 언급으로 대체될 수 있다. 다른 상들은 보라이드 내에서 더 적은 비율로 존재할 수 있지만, 목적하는 상(즉, W2B4, W2B4+x, 또는 W2B5)이 우세할 것이다.
통상적으로, W2B5는 다른 텅스텐 보라이드 제형들을 사용하는 기존 설계 내로 혼입될 수 있다. 예를 들어, 고체 소결된 W2B5로서, 또는 금속 바인더 내에 W2B5 입자를 포함하는 시멘트화된 텅스텐 보라이드(cemented tungsten boride) 내의 텅스텐 보라이드 성분으로서, 혼입될 수 있다. 위의 결과는 감속재가 필요하지 않다는 것을 보여주지만, W2B5 기반 차폐물은 여전히, 물 또는 다른 수소 함유 재료와 같은 감속재, 또는 당해 기술분야에 알려진 임의의 다른 적합한 중성자 감속재를 구비할 수 있다. 예를 들어, 감속재를 구비하는 것은, W2B5가 서멧, 세라믹 또는 시멘트화된 텅스텐 보라이드(cermet, ceramic, or cemented tungsten boride)과 같은 복합재료의 일부로서 포함될 때, 유익할 수 있으며, 그에 따라, 복합재료와 감속재의 조합은 복합재료 단독보다 목표 범위에서 더 우수한 중성자 흡수를 제공한다. 예상되는 중성자 에너지가 위에서 논의된 시뮬레이션들에 대해 사용된 14.1 MeV 핵융합 중성자와 다른 경우, 및/또는 물(또는, 다른 감속 재료)이 감속재로서 사용되거나 중성자 차폐물 또는 다른 인근 부품들을 냉각하기 위해 사용되는 경우에도, 감속재가 유익할 수 있다.
W2B5는, 예를 들어, 감마선, 다른 에너지의 중성자, 또는 임의의 다른 방사선 유형에 대한 추가 흡수를 제공하는 추가 재료를 포함하는, 복합 차폐물에 대한 하나의 성분으로서 제공될 수 있다. W2b5 차폐물은 임의의 적합한 재료로부터 만들어질 수 있는 구조 부품들 및 냉각 부품들을 포함할 수 있다.
인식되어야 하는 바와 같이, W2b5의 장점은 주로, 특정 차폐물 용도(예를 들어, 기하학적 형태 또는 구조)에 특화된 것이 아니라, 차폐물 재료로서의 그것의 성능에 있다.
주어진 두께의 중성자 차폐물에 대한 증가된 중성자 흡수는, 다른 텅스텐 보라이드 기반 해결책에 비해, 설정된 두께의 차폐물을 위한 향상된 흡수를 제공하는 데 사용될 수 있거나, 또는, 다른 텅스텐 보라이드 기반 해결책에 비해 감소된 두께로, 유사한 정도의 중성자 차폐물을 제공하는 데 사용할 수 있다. 후자는 구형 토카막 핵융합 반응기(spherical tokamak fusion reactor)의 중앙 컬럼과 같은 적용 분야에서 특히 유용한데, 거기서는, 차폐물의 두께를 최소화하는 것(중앙 컬럼의 전체 직경을 최소화하는 것의 일부로서)이 중요한 설계 목표이다.
붕소에 의한 중성자 흡수의 혜택을 받는 기존 차폐물의 잠재적인 문제는, 흡수하는 10B 동위원소가 7Li 및 4He 알파 입자로 변환되며, 그에 따라 10B 동위원소의 분율이 시간이 지남에 따라 점차 감소한다는 것이다. 이는 도 5에 도시되어 있는데, 도 5는, 플라즈마 대면 표면(501)으로부터 HTS 코어 대면 표면(505)까지 차폐물 내의 여러 위치에 대한 재료에 대해 플로팅된, 200 MW에서의 30년 작동 후의 몇몇 텅스텐 보라이드들에 대해 남아있는 붕소-10 분율을 보여주며, 여기서, 중간 깊이들(502, 503, 504)이 개략도(500)에 도시되어 있다. 분율 손실은 중성자 플럭스가 가장 높은 외부 플라즈마 대면 표면에서 가장 높으며, 차폐물을 통과하면서 감소한다. W2B5는, 차폐물 전체에 걸친 동위원소 함량의 가장 작은 분율 감소와 관련하여, 고려된 모든 재료들 중에서 최고의 성능을 보여준다.
천연 붕소는, 80%의 11B와 비교하여, 중성자를 흡수하는 19 내지 20%의 10B 동위원소 함량을 갖는다(붕소의 다른 동위원소는 최대 수십 내지 수백 밀리초 정도의 반감기를 가짐). 천연 붕소 또는 18 내지 20% 10B를 갖는 다른 붕소의 사용은 많은 적용 분야에서 충분하지만, 보라이드 차폐물의 성능은, 10B 함량을 풍부하게 함으로써, 즉 천연 발생 붕소에 존재하는 것보다 더 많은 10B 분율(예를 들어, 적어도 25%의 10B)을 제공함으로써, 향상될 수 있다. 텅스텐 보라이드 재료들 각각에 대한 HTS 코어 내의 피크 중성자 플럭스에 미치는 이것의 영향이, 10B/B전체의 비율 0%(601), 20%(602), 40%(603), 60%(604), 80%(605) 및 100%(606)에 대해, 도 6에 나타나 있다. 10B의 더 높은 백분율은, 텅스텐 보라이드들 각각에 대해 차폐물 성능을 2배 초과 만큼 향상시키지만, W2B5는 여전히 모든 농축 수준에서 가장 우수한 텅스텐 보라이드이다. 코어(미도시) 내의 중성자 및 감마 에너지 부여에 대해서도 유사한 결과가 얻어진다.
W2B5는, 소결, 또는 용융 및 캐스팅과 같은 제작 기술을 통해, 순수한 고체 재료로서 형성될 수 있다. W2B5의 소결은, 스파크 플라즈마 소결, W2B5 분말의 고온 프레싱, 무압력 소결, 또는 다른 적합한 방법에 의해, 수행될 수 있다.
대안적으로, 상대적으로 저렴한 제작 경로는 복합 시멘트화 텅스텐 보라이드일 것이다.
순수한 W2B5는 중성자 차폐물 특성이 우수하지만, 통상적으로 부서지기 쉽다. 이를 완화하기 위해, W2B5가 금속 강화 복합재료 내에 제공되어, W2B5 복합재료의 구조적(예를 들어, 내하중) 용도에 적합한 물리적 특성을 제공할 수 있다.
구조적 성능을 개선하기 위한 첨가제 합금 금속 원소는 보라이드와 강하게 반응하지 않도록 선택되어야 하는데, 이는, W2B5의 이점들 중 일부가 그것의 구조로부터 나오고, 그 구조는, 그것의 큰 비율이 복합재료 내의 다른 원소와 반응하여 다른 보라이드를 형성하는 경우, 손상되거나 상실될 것이기 때문이다. 특히, 금속-강화 복합재료 내에 W2B5를 제공하기에 적합한 금속은 전이금속(예를 들어, 텅스텐), 바람직하게는 주기율표의 11족(구리, 은, 및 금), 아연 또는 납, 더욱 바람직하게는 구리를 포함한다. 주로 그러한 금속들로 이루어진 합금, 예를 들어, 도금 금속, 인 또는 알루미늄 청동, 적색 황동, 베릴륨 구리, 및 백동과 같은 청동 및 황동, 또는 일렉트럼 또는 골로이드와 같은 금 및/또는 은의 합금도 적합하다. 알루미늄이 반응하여 보라이드를 형성하는 동안, 상당한 양의 WAIB를 형성하려면, 특정 조성 및 냉각 속도가 필요하다. 이와 같이, 조성 및 냉각 속도를 제어하여 WAIB의 형성을 제한함으로써, 알루미늄을 첨가제 합금 금속 원소로서 사용할 수 있다.
금속 강화 복합재료의 예로서, W2B5는, WO 2016/009176 A1에서 WB에 대해 기술된 바와 같이, 금속 매트릭스 및 골재를 포함하는 시멘트화된 텅스텐 보라이드 골재의 성분으로서 제공될 수 있다.
금속 강화 복합재료는 높은 비율의, 예를 들어, 적어도 70 wt%, 적어도 80 wt%, 또는 적어도 90 wt%의, W2B5를 포함할 수 있다. 이는, W2B5가 12.8 wt%의 붕소이기 때문에, 재료 내의 상당한 비율의 붕소를 발생시킬 것이며, 따라서 N wt%의 W2B5를 포함하는 복합재료는 적어도 0.128N wt%의 붕소를 포함한다. 이와 같이, 금속 강화 복합재료는 적어도 9 wt%의 붕소, 적어도 10 wt%의 붕소, 또는 적어도 11.5 wt%의 붕소를 포함할 수 있다.
금속 강화 복합재료의 중성자 감쇠 성능은 통상적으로, 붕소 함량이 증가함에 따라, 향상된다.
금속 강화 복합재료는 다양한 방법에 의해, 예를 들어 도 7에 도시된 액상 소결(LPS)에 의해, 형성될 수 있다. LPS에 의한 복합재료를 형성하기 위해, W2B5 분말은, 선택된 금속(701)의 분말, 및 선택적으로(optionally) 스테아르산(W2B5의 약 1 wt%)과 같은 첨가제와 혼합되어, 전처리 동안 냉간 용접 빈도를 감소시킨다. 분말들은, 평균 입자 크기를 줄이기 위해, 불활성 분위기 하에서, 함께 밀링될 수 있다. 혼합된 분말들은 "그린 콤팩트(green compact)"를 형성하기 위해 프레싱되고(702), 그 다음, 선택된 금속의 용융점 초과로 가열되어, 액체가 된다. 액체 금속에 의한 고체 W2B5의 젖음으로 인한 모세관력은, 액체를 입자간 공극 내로 끌어당겨 입자들이 재배열되도록 할 것이다(703). 기공도가 제거되고 재배열 단계가 느려지기 시작함에 따라, 확산 메커니즘이 지배적이 되며, 그에 따라, W2B5가 액체를 통해 확산되고 다른 입자(704) 상에 재침전된다. 이로 인해, 더 작은 입자를 희생시키면서, 더 큰 입자가 성장하고, 접촉하는 곡면 입자 표면을 평평하게 만드는 경향이 있다. 이러한 형상 변화들로 인해 W2B5 입자들이 더욱 치밀하게 치밀화된다. 마지막 단계 (705)에서, 복합재료는 그것의 최고 밀도에 도달하는데, 이는, 고체 상 소결과 유사한 방식으로, 고체 마이크로구조의 형성에 의해 W2B5 구조가 강화되기 때문이다. 그 다음, 복합재료를 냉각시켜, 액체 금속이 W2B5 구조 주변의 연속 매트릭스가 되도록 고화되도록 한다.
소결은 압력 하에서, 예를 들어 핫 프레스에서, 수행될 수 있거나, 또는, "무압력(pressureless)" 소결 기술이 사용될 수 있는데, 거기서는, 소결될 재료가, 소결이 일어나기에 충분한 온도까지 가열되는 동안, 진동하는 다이 내에 배치된다. 무압력 소결의 장점은 최종 재료의 금속 함량을 더욱 정밀하게 제어할 수 있다는 것인데, 이는, 압력 소결의 경우에는 액체 금속이 재료로부터 프레싱되어 나오기 때문이다.
차폐물에 입사하는 중성자 및 감마 플럭스에 따라, 뿐만 아니라 임의의 펄스의 지속시간(융합 장치가 정상 상태 모드에서 작동하지 않는 경우)에 따라, 열 작동 한계 내에서 차폐물을 유지하기 위해 차폐물와 냉각 시스템을 통합하는 것이 바람직할 수 있다. 그러한 냉각 시스템은, 기체 헬륨과 같은 냉각제가 펌핑되는 통로인 차폐물 내의 채널의 형태를 취할 수 있다. 부식을 최소화하기 위해, 선택적으로(optionally) 적합한 금속 인터페이스를 통해, 시스템으로부터 열을 추출하기 위해 수냉이 사용될 수도 있다. 대안적으로, 차폐물의 하나 이상의 영역들에 히트 싱크를 유지함으로써, 차폐물 열 전도로부터 열을 추출할 수 있다.
W2B5는, WC 또는 순수한 W 차폐물을 사용하는 것에 비해, 산화 저항성이 훨씬 뛰어나다는 추가적인 이점을 제공한다. 이는, 냉각제 손실(loss-of-coolant: LOCA)과 진공 손실(loss-of-vacuum: LOVA)이 결합된 최악의 사고 시나리오에 대한 중요한 안전 고려 사항이다.
W2B5 차폐물은 중성자 차폐물을 위한 공간이 매우 제한된 상황에서 특히 유리하다. 그러한 예들 중 하나는, 토카막 핵융합 반응기, 특히 구형 토카막의 중성자 차폐물이다. 그러한 반응기에서, 차폐물은, 플라즈마 챔버 내의 융합 플라즈마에 의해 방출되는 중성자로부터 폴로이달 또는 토로이달 필드 코일을 보호한다. 코일들은, 비교적 섬세한 고온 초전도 재료로부터 만들어질 수 있으므로, 효과적인 차폐물이 필요하다 - 그러나, 이 차폐물이 가능한 한 얇으면 반응기의 효율이 향상될 수 있는데, 이는, 더 유리한 구형 기하학적 형태를 가능하게 하고, 필드 코일들이 자기장이 필요한 곳에 더 가까워지는 것이 필요하기 때문이다.

Claims (17)

  1. 중성자 차폐물에서의 디텅스텐 펜타보라이드 W2B5의 용도.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 W2B5의 총 붕소 함량의 비율로서 붕소-10의 비율이 18% 초과, 더욱 바람직하게는 20% 초과, 더욱더 바람직하게는 25% 초과인, 용도.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 W2B5는 고체 소결된 W2B5로서 제공되는, 용도.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 W2B5는 W2B5 및 금속을 포함하는 복합재료 내에 제공되는, 용도.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 금속은 다음 중 하나인, 용도:
    전이 금속;
    주기율표 11족 금속;
    아연;
    납;
    알루미늄; 및
    전이 금속, 주기율표 11족 금속, 아연, 납, 또는 알루미늄을 주성분으로 하는 합금.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 금속은 구리인, 용도.
  7. 제 4 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 복합재료는, 금속 매트릭스, 및 W2B5를 포함하는 골재를 포함하는 시멘트화된 텅스텐 보라이드인, 용도.
  8. 제 4 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 복합재료는 적어도 70 wt%의 W2B5, 더욱 바람직하게는 적어도 80 wt%의 W2B5, 더욱더 바람직하게는 적어도 90 wt%의 W2B5를 포함하는, 용도.
  9. 디텅스텐 펜타보라이드 W2B5를 포함하는 중성자 차폐물.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 W2b5의 총 붕소 함량의 비율로서 붕소-10의 비율이 18% 초과, 더욱 바람직하게는 20% 초과, 더욱더 바람직하게는 25% 초과인, 중성자 차폐물.
  11. 제 9 항 또는 제 10 항에 있어서, 상기 W2B5는 고체 소결된 W2B5인, 중성자 차폐물.
  12. 제 9 항 또는 제 10 항에 있어서, 상기 W2B5는 W2B5 및 금속을 포함하는 복합재료 내에 제공된, 중성자 차폐물.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 금속은 다음 중 하나인, 중성자 차폐물:
    전이 금속;
    주기율표 11족 금속;
    아연;
    납;
    알루미늄; 및
    전이 금속, 주기율표 11족 금속, 아연, 납, 또는 알루미늄을 주성분으로 하는 합금.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 금속은 구리인, 중성자 차폐물.
  15. 제 12 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 복합재료는, 금속 매트릭스, 및 W2b5를 포함하는 골재를 포함하는 시멘트화된 텅스텐 보라이드인, 중성자 차폐물.
  16. 제 12 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 복합재료는 적어도 70 wt%의 W2B5, 더욱 바람직하게는 적어도 80 wt%의 W2B5, 더욱더 바람직하게는 적어도 90 wt%의 W2B5를 포함하는, 중성자 차폐물.
  17. 토카막 핵융합 반응기로서, 상기 토카막 핵융합 반응기는, 플라즈마 챔버, 토로이달 필드 코일, 복수의 폴로이달 필드 코일들, 및 상기 플라즈마 챔버의 내부와 상기 토로이달 필드 코일 또는 상기 폴로이달 필드 코일 사이에 배치된 중성자 차폐물을 포함하고, 상기 중성자 차폐물은 제 9 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 따른 차폐물인, 토카막 핵융합 반응기.
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