分层中子屏蔽件的制作方法

1.本发明涉及中子屏蔽件，特别地但非排他地，涉及用于托卡马克聚变反应堆的中子屏蔽件。


背景技术：

2.产生聚变力的挑战非常复杂。当氘-氚(d-t)或氘-氘(d-d)等离子体被加热时产生聚变中子，使得原子核具有足够的能量来克服库仑静电排斥以熔合在一起，从而释放高能中子和聚变产物(例如，对于d-t的情况，释放4he)。迄今为止，实现这一点的最有前景的方式是使用托卡马克(tokamak)装置；在传统的托卡马克聚变方法(如iter所实施的)中，等离子体需要具有高约束时间、高温和高密度来优化该过程。
3.托卡马克的特征在于强环形磁场b
t
、高等离子体电流i
p
、通常大的等离子体体积和显著的辅助加热的组合，从而提供热稳定的等离子体，使得可以发生聚变。辅助加热(例如，通过进行几十兆瓦的高能量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/或保持等离子体电流是必要的。
4.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)，辐射屏蔽件的厚度应该尽可能减小，同时仍保持对其他部件的充分保护。使等离子体与场线圈之间的距离最小化允许在等离子体中有较高的磁场而线圈中有较少的电流。
5.图1示出了中心柱的一部分，并且示出了屏蔽件材料必须克服的问题。中心柱包括在中央芯部的高温超导体(hts)线圈11和在外层的屏蔽件12。取决于用于屏蔽件的材料，可以在外表面上存在氧化屏蔽件材料层13。存在由于等离子体14而损坏的三个主要原因。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件的结构中敲出，从而产生传播通过材料并降低材料特性(例如机械特性、热特性或超导特性)的损坏级联16。其次，来自聚变反应的热通量17很显著，并且可能由于不均匀加热引起的热应力而损坏屏蔽件，并且由于高温减少了在保持超导性的同时可以承载的电流而损坏hts芯部，并且可能导致线圈突然获得电阻，从而导致磁体失超。最后，等离子体的高能粒子将烧蚀18屏蔽件的外表面。这不仅对屏蔽件本身造成损坏，而且如果屏蔽件直接暴露于等离子体也可能污染等离子体。期望具有能够抵抗这些效应以及防止中子到达超导线圈的屏蔽件材料。
6.当前的屏蔽件设计还经常使用水通道来冷却屏蔽件，并且用于减速中子(这增加了屏蔽件的有效性)。然而，这存在问题，因为在应用的处置或维护期间，难以处理水
–
由于存在使系统加压、污染水、活化水和蒸发水的风险，以及如果处理不当，则存在来自反应堆的水进入环境中的可能性。
7.因此，需要一种不需要水来减速的有效的中子屏蔽件。


技术实现要素：

8.根据第一方面，提供了一种中子屏蔽件。该中子屏蔽件包括多个吸收层以及至少
一个减速层。多个吸收层中的每个包括硼化钨或碳化钨。至少一个减速层包括金属氢化物。每个减速层在至少两个吸收层之间。
9.根据第二方面，提供了一种中子屏蔽件。该中子屏蔽件包括金属氢化物。该金属氢化物包括中子吸收元素，该中子吸收元素：
10.具有在0.02ev与0.03ev之间的中子能量范围内大于0.1barn的平均中子吸收横截面；并且
11.与合金中的所有其它金属具有至少1mol％的固溶度。
[0012]“平均中子吸收横截面”是该元素所存在的所有同位素的指定范围内的中子吸收横截面的平均值(以它们的丰度加权)。中子吸收元素的同位素分布可以是它们的自然丰度，或者也可以是具有所需的平均中子吸收横截面的某种其他分布。
[0013]
根据第三方面，提供了一种托卡马克核聚变反应堆。该反应堆包括环形等离子体室、等离子体约束系统以及中子屏蔽件。等离子体约束系统被布置成产生用于将等离子体约束在所述等离子体室的内部中的磁场。中子屏蔽件是根据第一方面或第二方面的中子屏蔽件，并且被布置在环形等离子体室的内部与等离子体约束系统之间。
[0014]
在权利要求2等中提出了其他实施例。
附图说明
[0015]
图1示出托卡马克的中心柱的中子屏蔽件及其设计挑战；
[0016]
图2示意性示出示例性的中子屏蔽件；
[0017]
图3示意性示出其他示例性的中子屏蔽件；
[0018]
图4示意性示出托卡马克等离子体室。
具体实施方式
[0019]
用于减少源自高能中子源的敏感材料(诸如球形托卡马克的中心柱)中的吸收剂量的有效且紧凑的辐射屏蔽件需要在大块(bulk)材料中组合高z(原子质量)和低z元素。动能大于几mev的高能中子被两种主要机制有效地减速：首先，通过与高z核的非弹性核反应；其次，通过与低z核的弹性散射。在非弹性散射之后，二次中子能量通常低于用于随后的与高z元素的非弹性核反应的反应阈值能量，并且因此仅能通过低z元素有效地减速。因此，高z和低z元素的组合可以用于减少入射到屏蔽件之外的敏感材料上的高能中子通量。
[0020]
有效的高能中子屏蔽件需要四个主要部分，所述四个主要部分按从中子源到被保护物体的顺序为：
[0021]
·
包含具有高原子质量的元素的、用于降低来自等离子体的中子能量的材料(特别是具有用于非弹性散射或中子倍增反应的高横截面的材料)
[0022]
·
用于进一步减速中子到最佳横截面的能量的中子减速剂(即，包含具有低原子质量的元素的材料)
[0023]
·
用于吸收所减速的中子的中子吸收剂
[0024]
·
用于吸收由早期阶段中的中子相互作用而产生的伽马射线的伽马屏蔽件。
[0025]
在单一材料或复合材料可以执行多种功能的情况下(例如，例如作为中子吸收剂和伽马屏蔽件)，则可以组合两个或更多个部分。
[0026]
在传统屏蔽件中，中子减速剂通常是水
–
对于处置和安全性，其需要小心处理，如上所述。
[0027]
由于钨的高z值(74)，以及相比于其他高z元素(例如铅)，钨在稳定化合物中通常具有高的质量和数密度，因此钨是作为第一阶段的高z组成元素的理想选择。硼化钨特别有利于屏蔽件应用，由于硼化钨添加了硼作为中子屏蔽件的组成元素；硼是在低能量下用于防止低能中子穿透屏蔽件的有效中子吸收剂。此外，钨是伽马辐射的有效吸收剂。因此，硼化钨可以用作所有上述部分，除了中子减速剂之外(因为与例如氢相比，硼不具有显著的减速效应)。碳化钨对于屏蔽件应用也是有利的，因为碳提供中子能量减速，尽管不如例如氢那样有效
–
这样，它们可以用于所有上述部分，但是通常将优于含氢材料的减速剂或者硼化钨的中子吸收剂。
[0028]
氢是低于几mev的理想的中子减速剂，并且可用作许多潜在材料的组成元素。然而，当被集成到聚变发电厂中时，最常见的水和烃是有问题的。金属氢化物在氢密度方面与水和烃相当，但是在室温下保持为固体的温度显著高于水或典型烃。这两方面使得更容易地设计中子屏蔽件结构(因为固体部件比液体部件更容易集成)，并且使得更容易维护和停用(因为固体部件的泄漏风险较低)。
[0029]
因此，如图2所示的呈硼化钨和金属氢化物的“夹层结构”的复合屏蔽件(具有两个硼化钨层201、203以及在它们之间的金属氢化物层202)作为中子屏蔽件是非常有效的，从而保护敏感部件204免受中子辐射205。实际上，具有硼化钨(或碳化钨)和金属氢化物的交替层，并且硼化钨(或碳化钨)为径向外层的多层屏蔽件将通常是有效的。
[0030]
硼化钨可以以各种形式提供，例如作为烧结硼化钨(金属基质中的硼化钨颗粒)、烧结硼化钨、或作为具有金属钨和/或其他元素的合金等。根据屏蔽件应用的特定结构考虑的需要，可以使用任何硼化钨化合物。一种有前景的方法是具有w2b的钨的两相结构，这可以在包括用氮化硼真空热压纯钨的已知工艺中形成，从而产生具有有用的热性能和机械性能的材料。
[0031]
碳化钨还可以以各种形式提供，例如作为烧结碳化钨(金属基质中的碳化钨颗粒)、或作为陶瓷-金属(金属陶瓷)碳化钨、反应烧结碳化钨/硼化物、或单体碳化钨。
[0032]
用作减速剂的潜在金属氢化物包括氢化锂(lih
x
)、氢化铪(hfh
x
)、氢化钇(yh
x
)和氢化锆(zrh
x
)、或其组合。每种情况下，已经确定使用具有最常见的化合物的化学式的氢化物
–
但是可以使用其它氢化物(或其组合、或与纯金属的合金)。明确的氢金属比率x可以基于所需的减速程度、所需的结构性质来选择，并且通常将在0.1和4之间，或者在1和2之间。在中子屏蔽件的模拟测试中使用了值1.33。
[0033]
硼化钨将通常构成屏蔽件的大部分，其中硼化钨层的总厚度在硼化钨和金属氢化物的总厚度的75％和99％之间，更具体地在硼化钨和金属氢化物的总厚度的80％和95％之间。面向中子源的硼化钨层201(即，外硼化钨层之一)可以在硼化钨和金属氢化物的总厚度的30％和90％之间，更具体地在总厚度的40％和80％之间。尽管层201在图2中被描绘为单个层，但是它可以由多个单独的层构成。其他硼化钨层中的一个(即，金属氢化物层位于该层和面向中子层之间的硼化钨层，通常是最终层203)可以是硼化钨和金属氢化物的总厚度的至少10％。将理解的是，其他硼化钨层的厚度的上限由硼化钨的总厚度与面向中子层中的硼化钨的厚度之间的差限定。
[0034]
在任何上述讨论中，硼化钨(wb)可以由碳化钨(wc)或硼化钨和碳化钨的组合代替。
[0035]
具有另外的hfh
x
和wb层的结构也可以表现良好
–
例如，具有多个hfh
x
层，每个hfh
x
层由wb或wc层分开，并且具有wb或wc层作为径向外层。预期对于其它金属氢化物，类似的组合物也将表现良好。
[0036]
对分层wb-hfh
x-wb屏蔽件(其中x＝1.33)的模拟提供了比相同总厚度的碳化钨和水屏蔽件的基准具有高达5倍的更有效的屏蔽效果(屏蔽件)(即，使得到下面的部件的能量沉积少5倍)。对于实际可获得的硼化钨和氢化铪材料(而不是纯hfh
x
或在模拟中使用的特定硼化钨组合物)进行这种调整得到了类似的结果。
[0037]
硼化钨或碳化物层可以由包括硼化钨或碳化物的复合材料形成
–
例如，在金属基质中具有硼化钨或碳化物颗粒的金属陶瓷。另外，如前所述，硼化钨/碳化物层可以包含硼化钨或碳化物的混合物，这可以是具有一些其他材料的复合材料(例如，具有硼化钨和碳化钨两者作为聚集体的金属陶瓷)。
[0038]
类似地，一个或多个金属氢化物层可以由包括金属氢化物的复合材料(例如，金属包覆的金属氢化物层)形成。金属氢化物层可以包括合金中多种金属的氢化物。这提供的优点在于，因为合金氢化物的热分解曲线(即，在一温度下从材料释放的氢的量)将具有更宽的温度分布，从而允许被配置成吸收或去除由于热分解而产生的氢的任何系统更容易容纳氢。作为示例，金属氢化物层可以包含已知与彼此形成以本体为中心的立方固溶体的金属的任何组合，所述金属例如周期表的第4、5和6族中的金属(诸如铪、铌、钽、钛、钨和锆)和/或钇、钆、铍和铀。
[0039]
一种可能性是使用“高熵合金”类结构，其具有几种(例如，至少5种)不同的金属，其中每种金属的原子比例(即，该金属的原子数除以氢化物中的金属原子的总数)为5％至50％(或5％-30％)，使得没有一种金属可支配材料特性。与单一金属氢化物一样，氢化物中的氢原子与(总)金属原子的比率可以在0.1和4之间，更优选地在1和2之间。
[0040]
当考虑复合材料的可能性时，“碳化钨和/或硼化物”材料可以被称为“吸收层”，并且“金属氢化物层”可以被称为“减速层”。尽管将理解的是，这些标记不应视为限制任一层的功能
–
因为取决于组合物，在吸收层中可能发生一些减速，反之亦然。标记主要用于避免可能暗示例如硼化钨层应该是纯硼化钨的任何混淆。
[0041]
屏蔽件可以是连续的(如图2所示)，即，硼化钨层和金属氢化物层彼此邻接。可选地，如图3所示，在硼化钨310和金属氢化物320层之间，或者在一个或多个层内，可以有冷却剂通道301、302或其它元件(例如，温度传感器、辐射传感器和/或应力传感器)。冷却剂通道可以被配置成承载液体或气体冷却剂(水可以用作冷却剂，并且屏蔽件将仍然提供现有设计的有用替代方案，即使该屏蔽件不会实现从屏蔽件中消除水)。
[0042]
屏蔽件的最大工作温度通常由金属氢化物的热分解温度(即，金属氢化物将部分分解并释放氢气的温度)限定。实际工作温度可以略高于热分解温度，因为反应堆安全壳体可以允许一些氢气释放。用不锈钢等类似物来封装金属氢化物可以用于防止氢气被释放到反应堆系统。对于具有低或瞬态中子载荷的应用(诸如，脉冲长度低于10秒的聚变电抗器)，通常不需要直接冷却屏蔽件(尽管这可以作为预防措施提供)。在具有持续高的中子载荷的应用中，将需要冷却以将屏蔽件保持为低于所使用的金属氢化物的热分解温度。通常，对于
氢化铪和氢化钇，温度应保持为低于约600℃，对于氢化锆，温度应保持为低于约300℃，并且对于氢化锂，温度应保持为低于约200℃。
[0043]
可以通过屏蔽件内的冷却剂通道(如上面简要描述的)，或者通过到屏蔽层外部的冷却剂通道的热传导来提供冷却。
[0044]
图4示出了用作聚变反应堆的托卡马克等离子体室，其包括等离子体容器41和用于约束等离子体43的磁性等离子体约束系统42。托卡马克还包括位于等离子体容器和磁性等离子体约束系统之间的、在中心柱中子屏蔽件部分44和外部屏蔽件部分45中的中子屏蔽件44、45。
[0045]
虽然以上主要针对的是多层屏蔽件，但是类似的原理可以应用于提供包括金属氢化物的单层中子屏蔽件。例如，可以提供包括中子吸收和减速材料的中子屏蔽件，该中子吸收和减速材料是包括至少一种中子吸收元素的金属合金的氢化物。就本公开而言，“中子吸收元素”具有在0.02ev与0.03ev之间的中子能量范围内大于0.1barn的平均中子吸收横截面。“平均中子吸收横截面”是该元素所存在的所有同位素的指定范围内的中子吸收横截面的平均值(以它们的丰度加权)。中子吸收元素的同位素分布可以是它们的自然丰度，或者也可以是具有所需的平均中子吸收横截面的某种其他分布。用于合金的合适元素与上面讨论的用于多层溶液中的金属氢化物的元素相同。合适的中子吸收元素包括铪、钨、硼、镝和钆(所有这些都适合它们的自然同位素丰度，但可以以不同的同位素丰度使用)。
[0046]
中子吸收元素的比例可以是至少5mol％。材料内的氢与其它元素的比率在0.1与4之间，更优选地在1与2之间。该材料可以是包括除了氢之外的至少5个元素(至少一个元素是强中子吸收元素)的高熵合金，其中每个非氢元素在合金(按原子比例，不包括氢)的5mol.％和《50mol.％之间。该材料可以是中子吸收元素的氢化物。
[0047]
这种材料也可以用作多层屏蔽件的一部分，该多层屏蔽件例如除了吸收或减速中子的其它材料之外还包括中子吸收和减速材料的屏蔽件，或者包括中子吸收和减速材料和包层或类似保护层的屏蔽件。
[0048]
材料可以是分级的，使得该材料的组成成分随着其厚度而变化。例如，可能存在较大比例的朝向中子屏蔽件的径向外表面的中子吸收材料，以及较大比例的朝向中子屏蔽件的径向内表面的氢气。