تشكل تقنية وقود TRISO الأساس لتلك الكرات الخزفية المستخدمة في التطبيقات النووية. لا يتجاوز حجم الجسيمات الصغيرة بضعة ملليمترات، لكنها تحتوي على وقود اليورانيوم الملفوف بعدة طبقات واقية مصنوعة من كربيد السيليكون والكربون. وهذا يُشكّل نظام احتواء صغيرًا يمنع المواد المشعة من التسرب، حتى عند التعرض لدرجات حرارة مرتفعة جدًا تزيد عن 1800 درجة مئوية. تشير الاختبارات التي أجرتها منظمات رائدة في مجال السلامة النووية إلى أن هذه الجسيمات TRISO تحتجز حوالي 99.99 بالمئة من النواتج الإشعاعية الثانوية في الظروف القصوى. مما يجعلها مهمة للغاية لضمان التشغيل الآمن في المفاعلات الحديثة، ويوفر للمهندسين طمأنينة بشأن أي تسرب محتمل أو أعطال.
ينبع فعالية الحماية الخزفية من هيكلها المعماري المتعدد الطبقات، الذي يجمع بين إبطاء النيوترونات، والامتصاص، وتخفيف أشعة غاما:
| مادة الطبقة | وظيفة | عتبة مقاومة الإشعاع |
|---|---|---|
| كاربيد السيليكون (SiC) | الحاجز الهيكلي الرئيسي ووسيط التباطؤ النيوتروني | حتى 1,800°م |
| كربيد البورون (B₄C) | امتصاص النيوترونات | 800°م مستمر |
| مزود بالتغليف التنجستي | تخفيف أشعة جاما | >300 كيلو إلكترون فولت طاقة الفوتون |
تقلل السيراميك عالية الكثافة مثل مركبات التنجستن-البيسموث من اختراق إشعاع جاما بنسبة 80٪ مقارنةً بالدرع الصلب التقليدي، وفقًا للدراسات الصادرة في عام 2023. ويتيح هذا التصميم متعدد الوظائف تبديد حرارة فعالًا مع توفير حماية قوية ضد الإشعاع النيوتروني وضد أشعة جاما.
في مختبر أيداهو الوطني، خضع باحثون كريات سيراميكية مبنية على تقنية TRISO لاختبارات مكثفة في ظروف انقطاع وهمي للطاقة. وقد تم رفع درجات الحرارة لأكثر من 3,000°ف (1,650°م) لأكثر من 400 ساعة متواصلة، وهي درجات تفوق بكثير ما تتعرض له المفاعلات عادةً. ما يلفت الانتباه هو أن امتصاص أشعة غاما بقي ثابتًا فوق 97% طوال فترة الاختبار. وهذا يتماشى بشكل جيد مع بيانات الوكالة الدولية للطاقة الذرية التي تشير إلى أن الوقود المحمي بالسيراميك يمكنه تقليل التسربات الإشعاعية أثناء الحوادث بنسبة نحو 90% مقارنةً بأعمدة الوقود التقليدية المؤلفة من أكسيد اليورانيوم. جانب آخر مثير للاهتمام هو أن المادة السيراميكية تصبح في الواقع أكثر صلابة كلما تعرضت للإشعاع، مما يجعلها أكثر مقاومة للانصهار حتى في حال فشل أنظمة التبريد تمامًا.
تلعب كربيد السيليكون (SiC) مع الجرافيت أدوارًا مهمة في الحفاظ على استقرار الكرات الخزفية من الناحيتين الحرارية والإشعاعية. تظل مكوّن كربيد السيليكون قويًا حتى عند تجاوز درجات الحرارة 1600 درجة مئوية، ولا يتحلل بسهولة عند التعرض لتدفق النيوترونات الذي يزيد عن 10^21 نيوترون لكل سنتيمتر مربع. وهذا يعني أن هذه المواد يمكن أن تدوم لفترة أطول بكثير في ظروف قاسية جدًا. كما يساعد الجرافيت أيضًا في امتصاص تلك النيوترونات المزعجة ونقل الحرارة بعيدًا بشكل فعّال بفضل خصائصه في التوصيل الحراري الاتجاهي. ولولا هذا التركيب، لرأينا تشكل مناطق ساخنة خطيرة داخل قلب المفاعل النووي، مما قد يؤدي إلى مشكلات جسيمة في المستقبل.
عند تحميل المواد السيراميكية بعنصر البورون-10، يمكنها امتصاص حوالي 94٪ من النيوترونات الحرارية المزعجة من خلال ما يُعرف بعملية تفاعل 10B(n,α)7Li. وفيما يتعلق بإيقاف أشعة جاما، فإن المواد ذات العدد الذري العالي هي الأفضل أداءً. وتتميز التنجستن والبيسموث في هذا المجال لأنهما يتفوقان في امتصاص هذه الفوتونات عالية الطاقة من خلال ما يُعرف بتأثير التأين الضوئي. إن دمج مادة مركبة بسماكة 3 سنتيمترات فقط مكونة من كربيد البورون مع التنجستن يقلل شدة الإشعاع الغامّاوي إلى ما يكاد يكون معدومًا—بنسبة تخفيض تصل إلى نحو 99.8٪. وقد تم التحقق من هذا النوع من الحماية ضد الإشعاعات النيوترونية وغاما في اختبارات عديدة، بما في ذلك النتائج الحديثة التي نشرتها الوكالة الدولية للطاقة الذرية عام 2023.
تشتهر مواد تُعرف بالسيراميك من نوع طور MAX، بما في ذلك مركبات مثل Ti3SiC2 وCr2AlC، بدمجها أفضل خصائص المعادن والسيراميك. وتتميز هذه المواد بمتانة استثنائية عند الكسر، حيث تُظهر أداءً يفوق بأكثر من ثلاث مرات أداء كربيد السيليكون العادي. وما يجعلها أكثر إثارة للاهتمام هو قدرتها الفعالة على إبطاء النيوترونات. وقد أظهرت دراسات أجرتها باحثون في مختبر أوك ريدج الوطني نتائج مذهلة أيضًا. ففي الحالات التي تنقطع فيها مادة التبريد، تظل هذه المواد صامدة أمام درجات حرارة تصل إلى 800 درجة مئوية لأكثر من ثلاثة أيام متواصلة. وقد لفت هذا النوع من المتانة انتباه العلماء العاملين على الجيل القادم من المفاعلات النووية، لا سيما تلك التي تعتمد على الأملاح المنصهرة ومفاهيم تصميم متقدمة أخرى.
تُثبَّط الحدود الحبيبية المُهندَسة بنانويًا في الكرات الخزفية تكوين فقاعات الهيليوم، وهي سبب شائع للانتفاخ الناتج عن الإشعاع. وتُظهر اختبارات الشيخوخة المُسرَّعة تغيرًا حجميًا أقل من 0.2٪ بعد التعرض ما يعادل 40 سنة تشغيل لمفاعل نووي. ويُراعى نطاق متعمد من المسامية يتراوح بين 8–12٪ لاستيعاب التمدد الحراري دون المساس بالكثافة أو أداء الحماية، مما يضمن موثوقية طويلة الأمد.
تحتوي حبيبات TRISO على هذا التصميم الخزفي الخاص المكون من أربع طبقات يحافظ على احتواء كل شيء بشكل جيد جدًا. فهناك طبقة كربون مسامية تعمل كعازل حول النواة اليورانية الفعلية، وتساعد في امتصاص جميع الإجهادات الميكانيكية والحرارية التي قد تسبب مشاكل خلاف ذلك. أما بالنسبة لطبقة كربيد السيليكون، فهي تمثل في الأساس نظام الدفاع الرئيسي هنا. إذ تبقى المواد المشعة داخلها دون تسرب وبفعالية تزيد عن 99.9 بالمئة، حتى عند وصول درجات الحرارة إلى حوالي 1600 درجة مئوية. ثم تأتي طبقتا الكربون المصهور الداخلي والخارجي. وهما تقومان في الواقع بعمل أمرين رئيسيين: أولًا، توفران دعمًا هيكليًا، وثانيًا، تمنعان حدوث أي تفاعلات كيميائية غير مرغوب فيها بين النواة اليورانية وطبقة كربيد السيليكون. ويضمن هذا الترتيب بالكامل بقاء الحبيبة سليمة حتى عند تغير درجات الحرارة بسرعة شديدة وتكرار التبدلات بين السخونة والبرودة.
تحاكي الاختبارات المُسرَّعة عقودًا من التعرض للنيوترونات في غضون أسابيع. وبعد 10,000 ساعة تحت ظروف تدفق عالٍ (10¹ نيوترون/سم²)، تحافظ طلاءات TRISO على أكثر من 98٪ من قوتها الأصلية. وتظل الطبقة السيليكون كاربايد (SiC) شبه غير منفذة، مع نسبة مسامية أقل من 0.01٪ بعد التعرض لجرعات جاما تزيد عن 200 ميغاغراي—مما يمنع بشكل فعال تشكل الشقوق الدقيقة التي قد تؤدي إلى التسرب.
تُوازن الأبعاد الدقيقة للطبقات بين احتواء الإشعاع وإدارة الحرارة:
| طبقة | السمك (ميكرومتر) | الوظيفة الرئيسية |
|---|---|---|
| طبقة كربون مسامية عازلة | 50–100 | امتصاص الإجهاد الحراري |
| الكربون البايروليتسي الداخلي | 20–40 | منع التفاعلات بين النواة وطبقة SiC |
| كربيد السيليكون | 30–50 | حجب منتجات الانشطار النووي |
| الكربون البايروليتسي الخارجي | 40–60 | مقاومة التدهور الميكانيكي |
تشير المحاكاة إلى أن زيادة طبقة كربيد السيليكون (SiC) من 25 ميكرومتر إلى 35 ميكرومتر تحسّن حجب النيوترونات بنسبة 60%، مما يقلل بشكل كبير من خطر تسرب الإشعاع.
يتبع المصنعون الآن المعايير ISO 21439:2023 لتحقيق تحملات أبعاد دقيقة (<0.5% تباين). توفر أنظمة الطلاء الآلية عائد إنتاج بنسبة 95%، وتدعم مخرجات سنوية تتجاوز 10 ملايين نواة وقود لكل حمولة مفاعل—بزيادة قدرها 300% منذ عام 2020. ويضمن هذا التوسع جودة متسقة للنشر في مفاعلات السوائل المنصهرة ومفاعلات السَّبائك الحبيبية حول العالم.
يلعب كاربيد البورون (B4C) دورًا رئيسيًا في التحكم في النيوترونات لأنه يمتلك مقطع امتصاص مرتفع جدًا لنظائر البورون-10، وتحديدًا حوالي 3,840 بارن. وعندما اختبر الباحثون كرات خزفية تحتوي على نحو 15٪ من كاربيد البورون، لاحظوا انخفاضًا مثيرًا في تدفق النيوترونات بنسبة تقارب 92٪. تكمن التحدي الحقيقي عند التعامل مع مستويات طاقة مختلفة. ولهذا السبب غالبًا ما تدمج المواد الحديثة أكسيد الجادولينيوم (Gd2O3) تحديدًا لتلك النيوترونات المتوسطة الصعبة، بينما يُستخدم ثنائي بوريد الهافنيوم (HfB2) بشكل أفضل للتعامل مع النيوترونات السريعة. وعادةً ما تحقق هذه التركيبات معدلات توهين تتراوح بين 8 و12 سم⁻¹ عند طاقات تبلغ حوالي 2 ميجا إلكترون فولت، مما يجعلها أكثر تنوعًا بكثير من الحلول القديمة.
| المادة | نطاق طاقة النيوترون | كفاءة الامتصاص (سم⁻١) |
|---|---|---|
| كاربيد البورون | حراري (<0.025 إلكترون فولت) | 10.2 |
| أكسيد الجادولينيوم | متوسط (1–100 إلكترون فولت) | 7.8 |
| هافنيوم داي بورايد | سريع (>1 ميجا إلكترون فولت) | 3.4 |
للوقاية من أشعة غاما، يلجأ المصنعون غالبًا إلى مواد ثقيلة مثل كربيد التングستن أو ثلاثي أكسيد البزموث. خذ على سبيل المثال درعًا خزفيًا بسماكة حوالي 10 مم ويحتوي على نحو 30 بالمئة من كربيد التنجستن. هذا التكوين يقلل من أشعة غاما بنسبة تقارب 85 بالمئة عند التعامل مع مستويات طاقة تبلغ حوالي 1.33 ميغا إلكترون فولت. هذا النوع من الأداء يعادل ما نحصل عليه من الدروع التقليدية المصنوعة من الرصاص، ولكن دون المخاطر الصحية المرتبطة بالتعرض للرصاص. عند النظر إلى الخيارات القائمة على البزموث، فإن قدرتها على حجب الإشعاع تُقاس بين 0.12 و0.18 سنتيمتر مربع لكل جرام. هذه الخصائص تجعل المواد الخزفية المبنية على البزموث خيارات ممتازة في الحالات التي تكون فيها المساحة محدودة وتتطلب معالجة متطلبات السلامة في آنٍ واحد.
تدمج التصاميم المتكاملة بين B₄C وWC وSiC إنشاء حواجز متعددة الوظائف. على سبيل المثال، تحقق هيكلية ثلاثية (B₄C/WC/SiC) امتصاصًا لأكثر من 99٪ من النيوترونات و80٪ من توهين أشعة جاما عند درجات حرارة تشغيل تصل إلى 1,600°م، مما يوفر حماية شاملة ضمن نظام واحد.
يضمن التغليف الخزفي احتainment النواتج الانشطارية مثل السيزيوم-137 أثناء السيناريوهات الحادثية. تحتفظ طبقة SiC في الجسيمات TRISO بنسبة 99.996٪ من النويدات المشعة عند درجة حرارة 1,800°م، كما أكدت اختبارات الضغط التي أجراها الوكالة الدولية للطاقة الذرية في عام 2023. هذا الاحتواء السلبي يلغي الاعتماد على التبريد الخارجي أو التدخل البشري، ويحسّن بشكل كبير من مرونة المفاعل.
تعمل المفاعلات ذات درجة الحرارة العالية (HTGRs) عند درجات حرارة مرتفعة للغاية، غالبًا فوق 1600 درجة مئوية، ومع ذلك تبقى الكرات الخزفية المستخدمة سليمة بفضل تصميمها الخاص باستخدام جسيمات TRISO. ما يجعل هذه المواد موثوقة جدًا هو الغلاف المصنوع من كربيد السيليكون الذي يمكنه تحمل درجات حرارة تتجاوز 3000 درجة فهرنهايت دون أن يتفكك. وهذا يعني أن المفاعل يمكنه التبريد الذاتي بشكل طبيعي حتى في حالة عدم وجود أحد لمراقبته أو أثناء انقطاع التيار الكهربائي. أشارت أبحاث من منظمات مثل الوكالة الدولية للطاقة الذرية (IAEA) إلى هذه الميزة الأمنية المبنية داخليًا، وتُظهر كيف يمكن لهذه المفاعلات أن تظل صامدة لفترات طويلة دون كهرباء. وعندما يقوم المهندسون بتشغيل محاكاة للسيناريوهات الأسوأ، يكتشفون أمرًا مذهلاً أيضًا: إن الوقود الخزفي يمنع تسرب المواد المشعة بنسبة أفضل بحوالي 98 بالمئة مقارنة بالقضبان الوقودية التقليدية في ظروف مماثلة. هذا النوع من الأداء يمنح مشغلي المحطات راحة بال كبيرة، مع علمهم بأن منشآتهم أكثر أمانًا بكثير ضد الحوادث.
تعتمد كريات أكسيد اليورانيوم التقليدية على طلاء داخلي يمكن أن يتشقق تحت الضغط، في حين تُحاط المواد النووية داخل الكرات الخزفية بعدة طبقات واقية مقاومة للتلف الناتج عن الإشعاع. تؤكد الاختبارات التي أجريت في مختبر أوك ريدج الوطني هذا التفوّق، حيث أظهرت أن هذه التصاميم الجديدة تقلل التسريبات الخطرة الناتجة عن التفاعلات النووية بنسبة تقارب 90٪ مقارنة بالأساليب القديمة. وميزة كبيرة أخرى لتكنولوجيا الخزف تكمن في تفاعلها مع الماء. وبما أن الخزف لا يتفاعل بقوة مع الماء، فإن احتمال إنتاج غاز الهيدروجين القابل للانفجار يصبح أقل بكثير في حال حدوث خلل أثناء حادث نووي. وهذا يجعلها أكثر أمانًا بكثير من تصاميم المفاعلات المائية الخفيفة التقليدية، حيث كان تراكم الهيدروجين مصدر قلق رئيسيًا.
بدأت أكثر من خمسة عشر دولة بما في ذلك الولايات المتحدة والصين وفرنسا تطوير أنظمة وقود سيراميكية لأجيالها القادمة من تقنيات المفاعلات. وفقًا للبيانات الصادرة عن الرابطة النووية العالمية العام الماضي، فإن المفاعلات التي يتم تبريدها بواسطة غازات ذات درجات حرارة عالية والتي تستخدم كرات سيراميكية قد تمثل حوالي اثني عشر بالمئة من إجمالي الطاقة النووية في العالم بحلول منتصف ثلاثينيات القرن الحالي. وتهدف جهود التوحيد القياسية الجارية حاليًا إلى تخفيض تكاليف إنتاج الوقود من نوع TRISO بنحو النصف خلال السنوات القليلة المقبلة. وسيجعل هذا التخفيض في التكاليف هذه الأنواع المتقدمة من الوقود أكثر توفرًا للنشر في كل من المفاعلات الوحدية الصغيرة وحتى تصميمات الميكرو مفاعلات الأصغر حجمًا التي تجري العديد من الشركات تجاربها عليها الآن.
EN
