Карбид бора в кристаллических покрытиях

Свойства кристаллического карбида бора как контактирующего с плазмой материала значительно отличают его от графитов и других углеродных материалов, используемых в термоядерных исследованиях. Процессы химического распыления, ионно-стимулированной десорбции и радиационно-ускоренной сублимации на поверхности кристаллического карбида бора проявляются весьма слабо. В результате скорость его эрозии при облучении ионами водорода намного ниже, чем у графита при тех же условиях облучения, и мало изменяется вплоть до температуры 1400°C. Захват водорода в карбид бора в несколько раз меньше, чем в мелкозернистые плотные графиты и CFC.

Эта разница увеличивается с дозой облучения, поскольку захват водорода в В4С насыщается при дозе ~1023 ат/м² в отличие от графитов и CFC. Анализ данных, представленных в, позволяет предположить, что сравнительно толстое покрытие карбида бора может предотвратить или серьезно замедлить деградацию структуры CFC при плазменной бомбардировке. Теплопроводность карбида бора достаточно низка (20 Вт/(м·К)). Но он выдерживает большие термические нагрузки в тех случаях, когда используется как защитное покрытие на графитах с высокой теплопроводностью. Покрытия толщиной до 100 мкм, нанесенные на различные типы графитов, исследовались в различных установках под об- лучением, имитирующим срывы и условия в диверторах токамаков. Эксперименты проводились, в частности, при облучении электронными пучками в Лаборатории Сандии, на плазменной пушке PLADIS в Университете Нью-Мексико, в диверторной плазме токамака DIII-D в «Дженерал Атомик» в Сан-Диего, на плазменном инжекторе МК-200 в ТРИНИТИ в Троицке, в токамаке Т-10 в Курчатовском институте в Москве (защитное покрытие главного лимитера). Во всех экспериментах покрытие показало высокую устойчивость к тепловым нагрузкам.

Наилучшие результаты были получены, когда покрытие наносилось на графит РГТ (термически ре- кристаллизованный графит с высокой теплопроводностью 800 Вт/(м·К)). 100 10-1 10-2 10-3 0 400 800 1200 1600 Коэффициент распыления, ат./ион Температура, °С. Температурная зависимость коэффициента распыления графита МПГ-8 (а) и покрытия B4C на графите МПГ-8 (H+, Ei = = 10 кэВ, j = 5,6·1019 м^–2) а б 1022 1021 1020 1021 1022 1023 1024 1025 Десорбция водорода, Н/м² Доза облучения, Н/м² Рис. 4 Захват водорода в В4С, графит и CFC MPG-8 RGT CFC В4С 18 В таблице представлены результаты облучения покрытия карбида бора толщиной 100 мкм на графитах МПГ-8 и РГТ электронными пучками в Лаборатории Сандии. 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. Никаких трещин, шелушений на поверхности покрытий на РГТ не появлялось.

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.