Для защиты диагностического оборудования от нейтронного потока требуются очень эффективные материалы, но эти материалы могут быть использованы внутри вакуумной камеры токамака, только если они продемонстрируют выполнение ряда строгих требований.

25 порт-плагов, являющихся частью диагностической системы токамака ИТЭР, служат двум основным целям. Одна из них – защитить диагностическое оборудование от нейтронного потока – либо полностью заблокировав, либо уменьшив его на несколько порядков. Другая задача потр-плагов - обеспечить доступ диагностического оборудования к плазме, через отверстия и окна, которые необходимо выполнить в этой защите.

Экваториальный порт-плаг состоит из трех диагностических защитных модулей, которые устанавливаются внутрь корпуса порт-плага. Каждый модуль состоит из рамы из нержавеющей стали и диагностической первой стенки. За стальной рамой будет располагаться защитный материал, который будет станет последней линией обороны, уменьшающей или блокирующей поток нейтронов на датчики и вспомогательное оборудование.

Выбор материала с правильными свойствами

outgasing_test_2.jpg 

Фото - iter.org

Выбор подходящего материала для защиты – это сложный процесс, который потребовал ряда шагов и участия нескольких организаций. Материал должен обеспечивать нужную степень защиты, но при этом соответствовать ряду ограничений.

Одно из них ограничений заключается в том, что каждый полностью оснащенный порт-плаг может весить не более 48 тонн, что сокращает количество допустимых видов защиты. «Мы могли бы создать надежную защиту, чередуя слои нержавеющей стали и воды», - комментирует Максим Иванцивский, приглашенный партнер проекта из секции разработки диагностики (старший научный сотрудник ИЯФ СО РАН – прим. ИЯФ СО РАН). «Это отвечало бы нашим требованиям по уменьшению нейтронного потока, но, к сожалению, этот был бы далеко за пределами ограничения по весу. Вес порт-плага превышал бы 48 тон».

Чтобы найти вариант конструкции, которая обеспечивала достаточную защиту, все еще оставаясь в пределах по весу, центральный офис ИТЭР, Российское и Американское домашние агентства провели независимые исследования. Все три организации пришли к выводу, что карбид бора (B4C) подходит лучше других кандидатов.

B4C – очень прочный материал, его используют, например, в бронежилетах и в качестве брони для некоторых современных танков. В4С также очень хорошо блокирует нейтроны. После того как нержавеющая сталь и вода замедляют поток нейтронов, B4C поглощает его их, обеспечивая существенное улучшение защиты. Более того, карбид бора почти в четыре раза легче нержавеющей стали.

Выбор правильной формы материала

«Как только стало ясно, что B4C нам подходит, мы принялись определять оптимальную для нас форму этого материала», - говорит Максим Иванцивский. «B4C может быть сыпучим, и тогда им можно заполнить ту или иную емкость, или же, он может быть изготовлен в виде одного из типов керамики. Мы обсудили различные варианты с рабочей группой и решили, что лучшим решением будет использование карбида бора в виде керамических кирпичей, поскольку с ними намного проще работать».

Следующим шагом был выбор такой конструкции, которая позволила бы добиться баланса между эффективностью защиты и сохранением оптимального веса. Команда начала с разработки защитных кассет, которые представляют собой стальные пластины, подогнанные под форму диагностического оборудования. Кассеты изготавливаются из нержавеющей стали и содержат блоки B4C. «Мы выбрали модульную конструкцию, которая позволяет изменять размеры защитных элементов в соответствии с формой диагностического оборудования», - говорит Иванцивский.

Идея состоит в том, чтобы разместить оптические датчики и зеркала внутри диагностического защитного модуля, и окружить их защитными кассетами. Плюс этого подхода в том, что при повреждении оборудования он позволяет легко снять лишь небольшое количество защитных кассет, чтобы удалить неисправность.

Однако, если пространство полностью заполнено кирпичами, вес будет превышен. «Мы нашли довольно элегантное решение», - говорит Иванцивский. «Мы спроектировали большое отверстие в центре каждого кирпича, что позволяет, с одной стороны, скрепить между собой элементы конструкции, с другой – увеличивая или уменьшая это отверстие, мы можем управлять средней плотностью».

Другой проблемой, которую необходимо было преодолеть, была скорость газвыделения. «На ранних стадиях разработки проекта были рассчитаны показатели газовыделения, которые можно допустить в каждой части токамака, чтобы вакуумная система справлялась с его откачкой», - говорит Иванцивский. «В эти расчеты также входила дегазация портплагов. Но керамические кирпичи существенно увеличивают площадь поверхности, что не учитывалось при первоначальных расчетах. Порт-плаг может содержать до 40 000 кирпичей с общей площадью поверхности 407 м², это дополнительная поверхность, которая должна быть учтена при расчете газовыделения».

Для определения, удовлетворяет ли порт-плаг требованиям газовыделения, недостающим элементом расчета была скорость дегазации каждого кирпича из керамики B4C. Домашнее агентство Российской Федерации задалось целью выяснить, эту величину.

«Мы взяли 638 блоков и очистили их – сначала ультразвуком, затем водой, а после высушили при 120 градусах Цельсия», - говорит Иванцивский. «Затем они отжигались в течение 4 часов в печи при температуре 1000 градусов. Мы поместили эти кирпичи в вакуумную камеру и проверили их на соответствие требованиям ИТЭР. Всего через 5 часов испытаний мы продемонстрировали, что укладываемся в требования. Через 24 часа показатели стали еще лучше. Чтобы сделать еще один шаг вперед, мы производили откачку и измерения в течение одного года. В результате скорость выделения газа снизилась в 3,5 раза».

После нескольких месяцев исследований, компромиссов в дизайне и экспериментов было показано, что керамические блоки B4C защищают диагностическое оборудование, а также отвечают требованиям на работу с порт-плагами для диагностических устройств.

Автор - Пэт Бранс (Pat Brans)

Источник: iter.org

Похожие новости

  • 25/05/2017

    Большой адронный коллайдер возобновил сбор данных

    На Большом адронном коллайдере (БАК) закончились технические работы и модернизация — он возобновил сбор данных, в трех экспериментах на коллайдере участвуют исследователи НГУ и ИЯФ СО РАН. Планируемая остановка на технические работы на БАК случается в начале каждого года.
    2609
  • 15/05/2020

    Бактерии из камчатских гейзеров оказались устойчивы к терагерцовому излучению

    Ученые ФИЦ «Институт цитологии и генетики СО РАН» и Института ядерной физики им. Г. И  Будкера СО РАН провели серию экспериментов по облучению термофильных (живущих при относительно высоких температурах — от 45°С) микроорганизмов мощным терагерцовым излучением.
    819
  • 10/03/2017

    В ИЯФ СО РАН проходит собрание международной коллаборации AWAKE

    ​В Институте ядерной физики им. Г.И.Будкера СО РАН проходит собрание международной коллаборации AWAKE, на котором обсуждается новый принцип ускорения заряженных частиц, использующий плазму и протонный пучок.
    1842
  • 06/04/2017

    Германия выделит новосибирским ученым-ядерщикам 30 миллионов евро на совместные научные разработки

    Один из примеров сотрудничества - проект рентгеновского лазера, успешно развивающийся  в Гамбурге. Это оборудование, которое сможет помочь изучить структуру любого вещества одним пучком света, было изготовлено в столице Сибири.
    2235
  • 30/08/2018

    Новосибирские ученые знают, как разбить древность на атомы

    Озера, древние книги, иконы, кости мамонтовой фауны или доисторического человека, деревянные колоды из погребений и даже болотный торф - все эти объекты можно точно датировать, определить время их создания, появления на свет или, если речь идет о живом существе, период обитания на Земле.
    1436
  • 05/09/2018

    Новосибирские физики в борьбе за «полезный» атом

    ​Мы уже обращали внимание на одно парадоксальное обстоятельство. Россия - одна из немногих стран, занимающих ведущие позиции в области ядерной физики. Здесь работают признанные во всем мире специалисты-ядерщики.
    884
  • 30/06/2017

    Рентгеновский лазер XFEL: мощный, быстрый, европейский

    ​27 000 импульсов в секунду - такая высокая частота повторения делает рентгеновский лазер XFEL уникальной установкой. 100 фемтосекунд - столь короткая продолжительность импульса (одна десятитриллионная доля секунды) открывает новые возможности для изучения химических и биологических систем.
    2164
  • 22/01/2019

    Зачем в Европе хотят построить новый коллайдер?

    ​Европейский центр ядерных исследований (ЦЕРН) работает над концепцией нового коллайдера, который будет больше и мощнее ставшего знаменитым БАК. Разбираемся, для чего он нужен. В поисках Новой физикиКогда на Большом адронном коллайдере (БАК) был открыт бозон Хиггса, физики сразу заговорили, что теперь им необходима установка для более тщательного его изучения.
    1674
  • 20/06/2019

    Совместная работа археологов и физиков позволит закрыть «белые пятна» в древней истории Сибири

    На помощь новосибирским археологам пришли физики-ядерщики. Их уникальное оборудование позволило закрыть большое «белое пятно» истории человека на территории Новосибирской области — в эпоху каменного века.
    1052
  • 28/02/2019

    В ЦЕРН обнаружили новую частицу, которая уточнит кварковую модель

    ​Коллаборация LHCb (CERN, Европейская организация по ядерным исследованиям), в которую входят Институт ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) и Новосибирский государственный университет (НГУ), объявила об открытии нового состояния c-кварка и анти c-кварка – частицы ψ3(1D).
    1568