圖片：俄羅斯科學院西伯利亞分院 GI Budker 核物理研究所的 BETA 裝置(由 INP SB RAS 提供)

俄羅斯科學院西伯利亞分院 GI Budker 核物理研究所 (INP SB RAS) 的專家與其他科學組織的團隊正在測試碳化硼作為國際實驗熱核反應堆 (ITER) 壁的涂層法國正在建設中。熱核反應過程中的等離子體燃燒發生在極高的溫度下，這可能會損壞反應堆的壁。目前正在研究尋找一種可以防止這種損害的物質。

托卡馬克中的等離子體位于環形真空室中。盡管由于磁場的保留，它與墻壁的接觸很少，但其上的負載仍然很大。這是等離子體發出的熱量和輻射通量，即中子和伽馬輻射。在這種情況下，墻壁的材料可能會被破壞。無論如何，墻布顆粒都會落入等離子體中，但重雜質尤其危險。等離子體中的此類物質導致其快速冷卻。為第一堵墻找到滿足所有要求的材料非常困難。

碳廣泛用于研究托卡馬克以保護壁，但其使用存在問題，因為它可以捕獲和保留氫同位素，包括放射性氚。目前，ITER 相機第一壁的材料是鎢和鈹。鎢是耐火材料，能很好地承受高溫，但它很重，當它進入等離子體時，它會很快冷卻。鈹很輕，即使進入等離子體，也不會影響其質量。然而，鈹產生的粉塵對人體有毒，是一種強致癌物。

因此，由 ITER 中心(俄羅斯國家 ITER 建設機構)負責人阿納托利·克拉西爾尼科夫 (Anatoly Krasilnikov) 領導的科學家團隊尋找覆蓋托卡馬克壁的替代方案。它需要耐熱，同時具有高導熱性和導電性的輕質材料，例如某些特殊類型的陶瓷。通常，陶瓷是絕緣體，但陶瓷類耐熱材料也具有足夠的導電性。

該研究還涉及拉夫連季耶夫流體動力學研究所 SB RAS、赫里斯蒂亞諾維奇理論與應用力學研究所 (ITAM SB RAS) 和托木斯克國立管理系統與無線電電子大學。他們涂上了一層厚度只有幾十微米的特殊材料涂層。測試正在 INP SB RAS 的 BETA 安裝中進行，材料在此受到熱核脈沖載荷的作用。BETA 是一種材料測試綜合體，可以在實驗過程中直接觀察物質的參數。在測試過程中，材料受到來自等離子體的激光驅動的熱負載。使用診斷系統，可以跟蹤溫度、吸收的熱量和侵蝕程度。表面損傷也會導致粗糙度發生變化。在BETA復合體中，侵蝕開始的確切時刻可以通過隨后的物質損失來確定。研究工程師 Dmitry Cherepanov 表示：“測試的目的是確定我們的測試材料在脈沖加熱過程中所能承受的負載極限。”

“長期以來，我們一直在與 Virial(圣彼得堡)合作開發碳化硼中子防護。Virial 公司是陶瓷和陶瓷金屬材料設備部件的制造商。這種物質非常耐用，具有相對良好的導熱性，我們在托卡馬克特有的脈沖負載下對其進行了測試。”研究人員亞歷山大·布爾達科夫(Alexander Burdakov)解釋道。

碳化硼與輕質鈹類似，不會導致壁快速冷卻，而且也是一種容易獲得的材料。使用碳化硼有兩種選擇——它可以完全替代鎢或作為保護涂層應用于鎢壁。

到目前為止，BETA 復合體的測試結果表明，陶瓷開始塌陷的載荷閾值與鎢相似。測試表明硼卡賓與碳化鎢和鈹涂層具有競爭力。