Свойства карбида бора и его использование в качестве

УДК 621.039.66
СВОЙСТВА КАРБИДА БОРА И ЕГО ИСПОЛЬЗОВАНИЕ
В КАЧЕСТВЕ ЗАЩИТНЫХ ПОКРЫТИЙ НА ПЕРВОЙ
СТЕНКЕ ТОКАМАКА
Л.Б. Беграмбеков (МИФИ), О.И. Бужинский (ГНЦ РФ ТРИНИТИ)
Рассматриваются физические аспекты контактирующих с плазмой графитов, а также углеграфитовых
и бороуглеродных покрытий. Анализируются их достоинства и недостатки, связанные с применением
в токамаках. Кристаллический В4С имеет превосходные эрозионные характеристики, низкую
сорбционную емкость по отношению к водороду, устойчивость при высоких энергетических
нагрузках. При нанесении на графиты с высокой теплопроводностью он может успешно работать как
контактирующий с плазмой материал в современных термоядерных установках. Описывается новая
технология, позволяющая с большой скоростью наносить покрытия из В4С в плазме токамаков.
Толстые покрытия из В4С могут успешно использоваться на первой стенке ИТЭР.
BORON CARBIDE PROPERTIES AND APPLICATION AS ARMOUR ON TOKAMAK FIRST
WALL. L.B. BEGRAMBEKOV, O.I. BUZHINSKIJ. Physical aspects of plasma facing graphites and
coatings made of carbon-fiber composites and boron-carbon compounds are considered. The merits and
demerits of their application in tokamaks are analyzed. The crystalline B4C has excellent erosion resistance,
low hydrogen sorptive capacity and tolerance to high heat loads. It can be used as an armour on highly heatconducting graphites and serve as a good plasma facing material in modern fusion devices. The new
technology of quick B4C application on the plasma facing components in the tokamak plasma environment is
described. Thick B4C coatings can be successfully used on the ITER first wall.
14
ВВЕДЕНИЕ
ntTi, 1020 м–3·с·кэВ
Графиты различных типов, а также материалы и покрытия на основе углерода
широко используются в течение нескольких десятилетий в качестве контактирующих
с плазмой компонентов термоядерных установок. Применение этих материалов позволило существенно поднять параметры плазмы [1, 2, 3, 4]. Например, в токамаке
DIII-D в 1980—1990-х годах начали использовать графит и проводить боронизацию.
Причем количество графита как контактирующего с плазмой материала постепенно
увеличилось вплоть до формирования целиком графитовой первой стенки. Благодаря
этим мерам величина ntTi удваивалась каждые два года (рис. 1) [16, 17].
Между тем в современных токама100
ИТЭР
ках со сравнительно плотной плазмой и
длинными импульсами графиты, графиJT 60U
10
JET
товые материалы и используемые в на100% защита (VH-мода)
стоящее время покрытия на углеродной
Боронизация (VH-мода)
основе создают ряд проблем, серьезно
1
Тлеющий разряд Не (Н-мода),
40% защита
тормозящих прогресс в термоядерных
Плазма с улучшенным удержанием
исследованиях [5, 6, 7].
(Н-мода), 9% защита графитом
Дивертор и высокотемпературный
Недавние эксперименты в модели0,1
отжиг
DIII
рующих установках и токамаках покаНейтральная инжекция
зали, что покрытия из кристаллического
Омический нагрев
0,01
карбида бора удовлетворяют требовани1980
2010
1990
2000
ям, предъявляемым к контактирующим
Календарный год
с плазмой материалам термоядерных
Рис. 1. Зависимость ntTi на установке DIII-D
установок [8—13].
В статье кратко рассматриваются достижения и недостатки, связанные с использованием в токамаках плотных мелкозернистых и пиролитических графитов,
углеводородных композитов (CFC), аморфных бороуглеродных покрытий. Описаны основные свойства кристаллического карбида бора, в частности, эрозионные
характеристики, сорбционная емкость по отношению к изотопам водорода, стойкость при высоких энергетических нагрузках.
Представлена технология нанесения покрытия карбида бора с параметрами,
близкими к стехиометрическим, реализованная в плазме PISCES-B [5]. Обсуждается возможность применения in-situ возобновляемых «толстых» покрытий карбида
бора для защиты первой стенки токамаков.
ГРАФИТЫ И УГЛЕРОДНЫЕ МАТЕРИАЛЫ В ТОКАМАКАХ
Использование графитов и углеродных покрытий в качестве контактирующих с плазмой материалов первой стенки, диверторов, лимитеров обеспечило
существенное снижение Z эф, увеличение плотности и температуры плазмы, увеличение длительности импульсов в токамаках. Однако по мере улучшения параметров разрядов недостатки материалов из чистых графитов проявлялись все
сильнее, тормозя дальнейший прогресс в исследованиях. Химическое распыление и радиационно-ускоренная сублимация при высоких температурах вызыва15
ли ускоренную эрозию графитовой поверхности и создавали поток атомов углерода в плазму. Графиты, переосажденные углеродные слои и графитовая пыль
захватывали значительные количества водорода, что приводило к высоким значениям водородного рециклинга. Концентрация кислорода в плазме оставалась
неприемлемо большой. Низкая теплопроводность и хрупкость плотных графитов приводили к отшелушиванию поверхностных слоев тайлов и эмиссии микроскопических кусочков графита в плазму.
Дальнейшее существенное улучшение параметров плазмы было связано с применением CFC и боронизацией — осаждением in-situ тонких аморфных бороуглеродных слоев для защиты контактирующих с плазмой поверхностей [1, 2, 3].
Боронизация приводила к подавлению химического распыления и высокотемпературной эрозии, уменьшалась концентрация в плазме примесных атомов углерода,
кислорода, металлов.
При применении CFC, благодаря их структуре и высокой теплопроводности,
уменьшалась температура контактирующей с плазмой поверхности и предотвращалось ее растрескивание [14]. В результате уменьшалась высокотемпературная эрозия поверхности, предотвращался выброс в плазму микроскопических фрагментов
материала [8].
К сожалению, положительное действие указанных мер сводилось на нет при
дальнейшем увеличении плотности плазмы, длительности разрядов и соответствующей интенсификации взаимодействия плазмы с первой стенкой. Так, бороуглеродный слой, наносимый чаще всего в тлеющем разряде со скоростью ~0,01 нм/с
в течение многих часов, обычно не превышает ~100 нм и разрушается в течение нескольких десятков разрядов [14]. В результате боронизация становится
все более малоэффективной процедурой. Что касается графитовых композитов,
то их структура модифицируется в
100 мкм
процессе плазменного облучения.
На поверхности образуется однородный аморфный слой [6]. При определенных условиях у него формируется пиролитическая структура с
гексагональными слоями, ориентированными параллельно облучаемой
поверхности. Как следствие, поверхностная часть тайлов приобретает свойства плотных графитов с
низкой теплопроводностью, наблюдаются растрескивание и отшелушиРис. 2. Образование однородного слоя на пование поверхностного слоя, эмиссия
верхности CFC тайлов первой стенки токамака
«Тор Супра». Фрагмент поверхностного слоя
в плазму макроскопических фраготсутствует. Видна не полностью модифицироментов поверхности (рис. 2).
ванная структура CFC нижележащего слоя
В настоящее время графиты CFC
и бороуглеродные защитные покрытия не были рекомендованы для использования на первой стенке ИТЭР.
16
КРИСТАЛЛИЧЕСКИЕ ПОКРЫТИЯ КАРБИДА БОРА
Десорбция водорода, Н/м2
Коэффициент распыления, ат./ион
Свойства кристаллического карби100
да бора как контактирующего с плаза
мой материала значительно отличают
–1
10
его от графитов и других углеродных
материалов, используемых в термоб
ядерных исследованиях.
10–2
Процессы химического распыления,
ионно-стимулированной десорбции и
радиационно-ускоренной сублимации на
10–3
поверхности кристаллического карбида
800
1200
1600
0
400
бора проявляются весьма слабо. В реТемпература, ºС
зультате скорость его эрозии при облучении ионами водорода намного ниже, Рис. 3. Температурная зависимость коэффицичем у графита при тех же условиях об- ента распыления графита МПГ-8 (а) [17]+ и покрытия B C на графите МПГ-8 (б) [9] (H , Ei =
лучения, и мало изменяется вплоть до = 10 кэВ, 4j = 5,6·1019 м–2)
температуры 1400 ºС (рис. 3) [9, 16].
Захват водорода в карбид бора в несколько раз меньше, чем в мелкозернистые
плотные графиты и СFС. Эта разница увеличивается с дозой облучения, поскольку
захват водорода в В4С насыщается при дозе ~1023 ат/м2 в отличие от графитов и CFC
(рис. 4) [10]. Анализ данных, представленных в [6, 10], позволяет предположить, что
сравнительно толстое покрытие карбида бора может предотвратить или серьезно замедлить деградацию структуры CFC при плазменной бомбардировке.
Теплопроводность карбида бора
1022
достаточно низка (20 Вт/(м·К)). Но он
RGT
выдерживает большие термические нагрузки в тех случаях, когда используетCFC
В4С
21
ся как защитное покрытие на графитах 10 MPG-8
с высокой теплопроводностью. Покрытия толщиной до 100 мкм, нанесенные
на различные типы графитов, исследо1020 21
10
1022
1023
1024
1025
вались в различных установках под об2
Доза облучения, Н/м
лучением, имитирующим срывы и условия в диверторах токамаков. Экспери- Рис. 4 Захват водорода в В4С, графит и CFC (реконструкция рис. 4 и 5 из [10])
менты проводились, в частности, при
облучении электронными пучками в Лаборатории Сандии [11], на плазменной
пушке PLADIS в Университете Нью-Мексико [12], в диверторной плазме токамака
DIII-D в «Дженерал Атомик» в Сан-Диего [8, 13], на плазменном инжекторе МК-200
в ТРИНИТИ в Троицке [3], в токамаке Т-10 в Курчатовском институте в Москве
(защитное покрытие главного лимитера) [3, 8, 14]. Во всех экспериментах покрытие
показало высокую устойчивость к тепловым нагрузкам. Наилучшие результаты
были получены, когда покрытие наносилось на графит РГТ (термически рекристаллизованный графит с высокой теплопроводностью 800 Вт/(м·К)) [3, 8, 14].
17
В таблице представлены результаты облучения покрытия карбида бора толщиной
100 мкм на графитах МПГ-8 и РГТ электронными пучками в Лаборатории Сандии [11].
Видно, что при сходных режимах облучения покрытие на графите РГТ имело меньшую температуру, чем на графите МПГ-8. Причем даже при самых высоких тепловых
нагрузках его температура оставалась в диапазоне низких скоростей эрозии (см.
рис. 3). Никаких трещин, шелушений на поверхности покрытий на РГТ не появлялось.
Температура покрытий карбида бора на графитах МПГ-8 и РГТ при электронном облучении,
моделирующем тепловые потоки в диверторе токамака и при срывах
(реконструкция табл. 1 и 2 из [11])
Тепловой поток,
MВт/м2
2,0
2,3
5,0
5,8
5,0
5,8
10,0
11,0
13,0
Время, с
5
5
2,5
2,5
10
10
2
5
5
Кол-во циклов
облучения
20
20
10
10
10
10
2
5
5
Тmax, ºC
МПГ-8
<300
—
430
—
940
—
>1400
—
—
РГТ
—
<300
—
<300
—
790
—
880
940
Можно предположить, что «толстое» покрытие карбида бора на графите с высокой теплопроводностью (или на CFC) может быть успешно использовано в качестве
защитного покрытия контактирующих с плазмой элементов термоядерных установок. Оно может обеспечить низкое поступление примесей в плазму, низкий рециклинг изотопов водорода, целостность покрытия при высоких тепловых нагрузках.
Свойства бороуглеродных слоев, осаждаемых в результате распыления карбида
бора детально не исследовались. Тем не менее можно предположить, что скорость
осаждения и толщина таких слоев так же, как их сорбционная емкость по отношению к изотопам водорода, будут намного ниже, чем у углеродных слоев, осажденных при распылении в аналогичных условиях.
Следует отметить, что, несмотря на очевидные преимущества, покрытия карбида бора редко использовались в термоядерных установках из-за сложной технологии их получения и обработки [13].
ВОЗОБНОВЛЯЕМЫЕ ПОКРЫТИЯ КАРБИДА БОРА,
ОСАЖДАЕМЫЕ В ПЛАЗМЕННЫХ УСТАНОВКАХ
Недавно покрытие карбида бора с составом, близким к стехиометрическому (B4C),
было нанесено в гелиевой плазме установки PISCES-B (Te ~ 40 эВ, ne ~ 2·1017 м–3, плотность электронного потока ~2·1017 м–2·с–1) [5], параметры которой близки параметрам плазмы в диверторе токамака DIII-D. При осаждении покрытия подложки находились под плавающим потенциалом (~160 эВ), величина которого примерно
определяла энергию бомбардирующих подложку ионов. Таким образом, условия на
поверхности оказывались близкими тем, что существуют на поверхности дивертора
токамака с малым рециклингом.
В качестве рабочего вещества в экспериментах использовался нетоксичный, невзрывоопасный и сравнительно дешевый карборан (C2B10H12). Молекулярная структу18
ра карборана — это додекаэдр, построенный из атомов бора и углерода и окруженный
атомами углерода, которые присоединены к каждой B/C-связи. Температура плавления
карборана равна ~370 К, однако он заметно сублимирует уже при комнатной температуре. Кристаллический карборан помещался в контейнер, температура которого регулировалась в диапазоне 300—450 К. Меняя температуру контейнера, удавалось изменять скорость поступления паров карборана в камеру PISCES-B. Температура подложек менялась от комнатной до 700 К, а время осаждения от 2 до 30 минут.
Осажденные покрытия имели структуру карбида бора, хотя их стехиометрия
оставалась несовершенной. Для подложек с малым Z (C, Al) отношение B/C в осажденном слое варьировалось от 3,0 до 3,6. Скорость напыления была чрезвычайно высокой и достигала 30 нм в секунду, что примерно в тысячу раз превышает скорость
напыления бороуглеродных покрытий в тлеющем разряде, широко используемом в
токамаках в настоящее время. Толщина напыляемого слоя зависела от длительности
разряда и достигала 40 мкм. Покрытие оказывалось плотным, не имело пор, отличалось высокой твердостью и хорошей адгезией к поверхности. Авторы [5] полагают,
что получение покрытия с такими свойствами так же, как и большая скорость осаждения, объясняется высокой степенью ионизации и диссоциации карборана в
плазме PISCES-B, имеющей намного более высокие плотность и электронную температуру (~40 эВ) по сравнению с плазмой тлеющего разряда, электронная температура которого не превышает ~1 эВ. Авторы сделали вывод о том, что в плазме современных термоядерных установок можно наносить «толстые» слои карбида бора, по
составу приближающиеся к стехиометрическому B4C.
Покрытие карбида бора, нанесенное по методике, описанной в [5], может служить долговременной защитой контактирующих с плазмой материалов. Основываясь на собранных в [18] данных об условиях облучения первой стенки ИТЭР, суммарный коэффициент эрозии карбида бора на первой стенке может быть оценен как
(1—3)10–2 ат./ион. Это приблизительно на порядок величины меньше, чем ожидаемая эрозия мелкозернистых графитов и CFC в тех же условиях.
Можно привести по крайней мере две причины такой разницы. Коэффициенты
физического и химического распыления карбида бора малы по сравнению с чистыми
графитами и CFC. Захват водорода и, соответственно, гидратация структуры карбида
бора намного меньше, чем у графитов и CFC. Поэтому ускорение химического распыления за счет гидратации поверхностного слоя также оказывается незначительным.
Ожидаемый поток частиц на первую стенку ИТЭР равняется примерно
1·10 20 м–2·с–1. Скорость эрозии покрытия
карбида бора будет достигать примерно
(1—3)1018 м–2·с–1 на участках, не подверженных переосаждению. Таким образом, достаточно иметь покрытие толщиной ~10 мкм для защиты графитовых
тайлов в течение 100—300 часов работы
токамака. Поэтому в течение физической стадии работы ИТЭР потребуется Олег Игоревич Бужин- Леон Богданович Беграмский, старший н.с., на- беков, профессор, доктор
всего несколько возобновлений in situ чальник лаборатории, ф.-м.н., ветеран высшего
защитного слоя карбида бора.
доктор т.н.
образования СССР
19
Как файлы из графита РГТ с таким покрытием будут вести себя в условиях дивертора ИТЭР? Насколько уменьшится температура поверхности таких тайлов по
сравнению с тайлами из CFC? Окажется ли возможным значительно уменьшить
общую скорость эрозии? Как долго будет служить покрытие и как часто будет требоваться его восстановление? Все эти вопросы еще ждут своего изучения.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Опыт работы современных токамаков свидетельствует о том, что плотные мелкозернистые графиты, CFC и защитные бороуглеродные покрытия порождают
серьезные проблемы в токамаках с плотной плазмой и длинными импульсами.
В то же время многочисленные эксперименты убедительно показали, что «толстые» покрытия из карбида бора на графитах (или CFC) с высокой теплопроводностью могут успешно работать в этих условиях. Физическое и химическое распыления, радиационно-ускоренная сублимация карбида бора значительно меньше, чем у
графитов и CFC. Покрытия превосходно показали себя при облучении потоками с
высокой плотностью энергии в различных установках.
«Толстые» покрытия из карбида бора на графитах (или CFC) с высокой теплопроводностью, используемые на первой стенке, могут обеспечить низкую скорость
эрозии, малый поток примесей в плазму, низкий водородный рециклинг, целостность поверхностного слоя при высоких энергетических нагрузках.
Возможность напыления «толстых» покрытий карбида бора с высокими скоростями осаждения была продемонстрирована в установке PISCES-B, плазма которой
по своим параметрам приближается к диверторной плазме токамака DIII-D.
Оценки показывают, что в условиях первой стенки ИТЭР покрытие карбида
бора будет нуждаться в нескольких восстановительных процедурах в течение физической стадии работы установки.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
15.
16.
17.
DIII-D Research Operations Annual Report. GA, San-Diego, 1997.
Winter J. et al. — J. Nucl. Mater., 1989, vol. 162—164, p. 713.
Barsuk V.A., Buzhinskij O.I., Vershkov V.A. et al. — J. Nucl. Mater., 1992, vol. 191—194, p. 1417.
Buzhinskij O.I., Semenets Yr.M. — J. Fusion Techn., 1997, vol. 32, № 1, p. 1.
Buzhinskij O.I., Otroschenko V.G., Whyte D.G. et al. — J. Nucl. Mater., 2003, vol. 313—316, p. 214.
Беграмбеков Л.Б. и др. — Известия РАН, Сер. физ., 2004, т. 68, № 3, с. 328.
Tsitrone E., Reiter D., Loarer T. et al. — In: Proc. of Intern. Conf. «Plasma surface interactions». Portland, Maine, USA, 24—28 Maj, 2004, p. 3—25.
Buzhinskij O.I., Opimach I.V., Barsuk V.A. et al. — J. Nucl. Mater., 1995, vol. 220—222, p. 922.
Buzhinskij O.I., Guseva M.I., Gordeeva G.V. et al. — J. Nucl. Mater., 1990, vol. 196—175, p. 262.
Begrambekov L., Buzinskij O., Gordeev A., Miljaeva E., Leikin P., Shigin P. — Physica Scripta,
2004, № 108, p. 72.
Magnetic Fusion Energy Program, Annual Report SNL, 1989. 18 p.
Susuki S. et al. — J. Nucl. Mater., 1993, vol. 200, p. 265.
Buzhinskij O.I., Semenets Yr.M. — Fusion Engineering and Design, 1999, vol. 45, p. 343.
Barsuk V.A. et al. — J. Nucl. Mater., 1992, vol. 196—198, p. 543.
Веграмбеков Л.В., Герчиков М.Ю. Препринт ИАЭ-4026/8. — М., 1984.
Jackson G.L., Winter J., Burrell K.H. et al. — J. Nucl. Mater., 1992, vol. 196—198, p. 236.
ITER рhysics basis. Chapter 4: Power and particle control. — Nucl. Fusion, 1999, vol. 39, № 12, p. 2391.
Статья поступила в редакцию 21 сентября 2006 г.
Вопросы атомной науки и техники.
Сер. Термоядерный синтез, 2006, вып. 4, с. 14—20.
20