تقدم الطوب السيراميكي المستخدم في محطات الطاقة النووية احتواءً حيوياً بفضل قدرته الاستثنائية على مقاومة الإشعاع والحفاظ على الثبات حتى عند ارتفاع درجات الحرارة. ويتم تصنيع هذه الطوب من كربيد الزركونيوم مع تعزيز كربيد السيليكون، ما يُنتج موادًا تمتلك كثافة تقارب 98٪ من القيمة النظرية القصوى الممكنة. ويعني هذا التراص العالي جداً وجود فجوات ضئيلة جداً يمكن أن يتسرب منها الإشعاع. وعند التعرض للقصف النيوتروني عند درجة حرارة تبلغ حوالي 1000 مئوية، فإن هذه الطوب تتسع بأقل من نصف بالمئة من حيث الحجم، وهي نتيجة أفضل بكثير من الخرسانة التقليدية التي تميل إلى التشوه والتشقق مع مرور الوقت. وللمشغلين الذين يهتمون بهوامش السلامة التي تدوم عقوداً، فإن هذا النوع من الثبات الهيكلي يُحدث فرقاً كبيراً.
في المفاعلات الماء المضغوط (PWRs)، تؤدي الطوب السيراميكي ثلاث أدوار رئيسية تحت إجهاد تشغيلي شديد:
تمكّن هذه الوظائف من قدرة المادة على الحفاظ على مقاومة الشد فوق 200 ميجا باسكال عند درجة حرارة 1200°م، وهي عتبة تفوق قدرات معظم سبائك الفولاذ.
تحتوي السيراميك المُصنّف للتطبيقات النووية على نظائر البورون-10 لامتصاص النيوترونات الحرارية بكفاءة، نظرًا لامتلاكها مقطع امتصاص مرتفع جدًا يبلغ حوالي 3837 بارن. كما تحتوي على جسيمات التنجستن التي تساعد في حجب أشعة غاما من خلال ما يُعرف بتأثير كهروضوئي عندما تكون الطاقات أقل من 3 ميجا إلكترون فولت. وفقًا لأبحاث نُشرت العام الماضي، يمكن للجدران المصنوعة من هذه الطوب السيراميكي والتي يبلغ سمكها حوالي 30 سنتيمترًا أن تقلل تدفق النيوترونات السريعة بنسبة تقارب 92 بالمئة. وهذا في الواقع أفضل من الجدران المماثلة المصنوعة من زجاج البورات الرصاصية، التي لا تحقق سوى تخفيض بنسبة 78 بالمئة تقريبًا. حقيقة أن هذه الطوب تتعامل بكفاءة مع كلا نوعي الإشعاع تعني أنها أصبحت أكثر أهمية باطراد لبناء حلول درع إشعاعي أصغر ولكنها فعالة جدًا في تصميمات المفاعلات الجديدة التي ستدخل الخدمة قريبًا.
دفعت طرق التلبد الجديدة جنبًا إلى جنب مع هندسة حدود الحبيبات الخزفيات ذات الدرجة النووية لما يزيد عن 600 ميجا باسكال في اختبارات مقاومة الشد. عندما يتعلق الأمر بخليط كربيد السيليكون وثنائي بوريد الزركونيوم، فإنها تُظهر مقاومة للكسر أفضل بنسبة تتراوح بين 40 إلى 60 بالمئة مقارنةً بالمواد الألومينا التقليدية المستخدمة عادةً. ما يجعل هذه الخزفيات فريدة حقًا هو قدرتها على الحفاظ على شكلها حتى عند تعرضها للقصف النيوتروني الذي قد يصل إلى 15 ازاحة لكل ذرة. تُعد هذه الثباتية مهمة جدًا لأجزاء المفاعل التي يجب أن تدوم لعقود من التعرض المستمر للإشعاع داخل محطات الطاقة المصممة للعمل لأكثر من أربعين عامًا متواصلة.
يمكن للمواد المعروفة باسم السيراميك عالي درجة الحرارة جدًا (UHTCs) أن تتحمل ظروف المفاعل التي تصل إلى أكثر من 2000 درجة مئوية لأنها تُكوّن طبقات أكسيد واقية على أسطحها، ولديها معدلات تمدد حراري منخفضة جدًا تبلغ حوالي 4.5 مرة 10 أس سالب ستة لكل كلفن، وتُحافظ على السلامة الهيكلية رغم العيوب في شبكية بلوراتها. وبالنسبة لكاربيد الهافنيوم على وجه التحديد، فإن هذه المواد تُظهر تغيرًا في الحجم لا يتجاوز 2 بالمئة بعد المرور بـ500 دورة تسخين وتبريد تتراوح بين 300 و1800 درجة مئوية. مما يجعلها أكثر متانة بنحو ثمانية أضعاف مقارنة بالجرافيت التقليدي عند اختبارها في ظل ظروف الشيخوخة السريعة في البيئات المعملية.
تُقارن الجدول أدناه أداء الحماية من النيوترونات عبر مواد سيراميك شائعة:
| المادة | التخميد النيوتروني (مدى MeV) | حجب أشعة غاما | مدة العمر التشغيلي |
|---|---|---|---|
| كربايد البورون | 0.025–14 (حرارية - سريعة) | معتدلة | ١٥–٢٠ سنة |
| هافنيوم داي بورايد | 0.1–10 (شبه حرارية - سريعة) | مرتفع | 25+ سنة |
| كربيد التنغستن | 1–14 (نيوترونات سريعة) | متطرفة | 12–15 سنة |
تتيح التطورات الحديثة في التصنيع الإضافي هياكل واقية مُركبة تجمع بين مزايا هذه المواد مع تقليل وزن المكونات بنسبة تتراوح بين 22–35٪ مقارنةً بالتصاميم الصلبة. تعالج هذه الابتكار التحديات المتعلقة بالمتانة التي لوحظت في نماذج المفاعلات من الجيل الثالث+، مما يضمن السلامة والأداء على المدى الطويل.
تُظهر الاختبارات التي أُجريت على 18 وحدة من مفاعلات الماء المضغوط أن هذه الطوب السيراميكي النووي الخاص تحافظ على حوالي 98٪ من قوتها الأصلية، حتى بعد تعرّضها للإشعاع النيوتروني الشديد لمدة خمس سنوات متواصلة. وعند تعريضها لتغيرات حرارية شديدة عند درجة حرارة تبلغ حوالي 650 مئوية، فإنها تدوم لمدة مثيرة للإعجاب تصل إلى 12,000 ساعة دون أن تتشقق، وهي نتيجة أفضل بنسبة 15٪ من المستوى الذي تعتبره الوكالة الدولية للطاقة الذرية مقبولاً بالنسبة للاستخدام طويل الأمد. إن طريقة تصنيع هذه الطوب توفر لها حماية أكبر بنسبة 40٪ تقريبًا ضد أضرار الإشعاع مقارنةً بمواد الحماية العادية المستخدمة حاليًا في محطات توليد الطاقة. وقد تم التأكد من ذلك من خلال تجارب مختلفة تبحث في مدى كفاءة المواد المختلفة في تحمل الحرارة ضمن أنواع جديدة من المفاعلات النووية قيد التطوير اليوم.
تبدأ محطات الطاقة النووية اليوم في استخدام طوب خزفي ممزوج بمواد مثل كربيد البورون التي تمتص النيوترونات. تقلل هذه المواد الجديدة من اختراق أشعة غاما بنسبة تقارب 62 بالمئة مقارنةً بالخيارات الأقدم، مع الحفاظ في الوقت نفسه على مرونتها الهيكلية. وتشير البيانات المستمدة من المفاعلات المائية المضغوطة في أوروبا إلى أمر مثير للاهتمام أيضًا. فالدرع الخزفي يحتاج فعليًا إلى صيانة أقل بنحو ثلاثة أرباع مقارنةً بحواجز الخرسانة التقليدية عند النظر إلى مدى عشر سنوات. ويُجري الباحثون حاليًا تحسينات إضافية على هذه المواد من خلال تصاميم ذات كثافة متدرجة، مما يساعد على مقاومة الصدمات الحرارية بشكل أفضل، وهو أمر بالغ الأهمية للمفاعلات الحديثة التي تتعرض لتغيرات مفاجئة في درجات الحرارة أثناء التشغيل.
تستفيد الطوب الخزفي النووي الحديث من التقدم الكبير في علوم المواد وتكنولوجيا الإنتاج. بينما لا يزال التلبيد التقليدي هو الأساس، تتيح التصنيع الإضافي (AM) هندسة معقدة لم تكن ممكنة من قبل. أظهرت دراسة أجريت في عام 2024 أن الخزفيات المنتجة باستخدام التصنيع الإضافي تصل إلى كثافة 98.5٪ مع تحسن في تحمل الإشعاع، مما يقلل تسرب النيوترونات بنسبة 18٪ مقارنةً بالمنتجات المسبوكة المكافئة.
تظل عملية التلبيد بالضغط الغازي طريقةً مفضلة لتصنيع تلك الطوب الفائقة الكثافة من كاربيد الزركونيوم المطلوبة في التطبيقات عالية الأداء. لكن التصنيع الإضافي يُحدث تغييرات في هذه الأيام. فتقنيات مثل الحقن بالرابط والطباعة الحجرية الضوئية تفتح المجال أمام إنتاج مكونات التدريع المتطورة ذات التدرج الوظيفي التي لا تستطيع الطرق التقليدية التعامل معها. كما أن الأرقام تبدو واعدة أيضًا. نحن نتحدث عن تقليل هدر المواد بنسبة تتراوح بين 30 إلى 40 بالمئة، وهي نسبة كبيرة جدًا عند التعامل مع مواد باهظة الثمن. أما بالنسبة للدقة الأبعادية؟ فهي تبلغ حوالي 50 ميكرومترًا وفقًا للدراسات المنشورة مؤخرًا في مجلة أبحاث المواد. ومن هنا يُفهم سبب بدء العديد من الشركات المصنعة بإيلاء اهتمام لهذه الأساليب الجديدة.
رغم التقدم، تواجه العوائق انتشارًا واسع النطاق:
تُظهر نانوكومبوزيتات أكسيد الألومنيوم كربيد السيليكون تحسنًا بنسبة 22% في خاصية توهين أشعة جاما عند طاقة 2 ميجا إلكترون فولت مقارنةً بالسيراميك التقليدي. وعند دمج 3% وزنًا من أنابيب نيتريد البورون النانوية، تزداد مقطع الامتصاص للنيوترونات بنسبة 40% دون المساس بالتوصيل الحراري، الذي يظل أعلى من 25 واط/متر كلفن—مما يجعلها مرشحة واعدة لمكونات الحماية متعددة الوظائف.
تُحقق الهجن البوليمرية-السيراميكية، مثل مركبات الإيبوكسي-كربيد البورون، فعالية حماية تبلغ 80% من فعالية الرصاص وبوزن أقل بنسبة 30%. ومع ذلك، فإن الحد الحراري لهذه المواد البالغ 250°م يقيّد استخدامها في الأنظمة المساعدة فقط، وليس في قلب المفاعل، حيث تشترط التطبيقات وجود مقاومة أعلى لدرجات الحرارة.
يجب أن تفي الأجزاء الخزفية المستخدمة في التطبيقات النووية بمتطلبات السلامة العالمية الصارمة. وفقًا لإرشادات الوكالة الدولية للطاقة الذرية SSG-37، يجب أن تكون مواد التدريع قادرة على تحمل جرعات إشعاعية تزيد عن 100 مليون وحدة غراي قبل أن تُظهر أي علامات على التلف الهيكلي. يساعد الالتزام بمعايير ASME BPVC-III ومواصفات ISO 17872:2020 في ضمان قدرة هذه المواد على امتصاص النيوترونات بكفاءة لا تقل عن 85 بالمئة في المفاعلات المائية المضغوطة. وقد قام خبراء الصناعة مؤخرًا بتحديث توصياتهم الفنية لتشمل المراقبة المستمرة للشقوق الصغيرة في المكونات الخزفية في محطات الجيل الثالث+ الأحدث. وقد أظهر هذا النهج الاستباقي تقليل الأعطال المحتملة بنسبة تتراوح بين 40 و45 بالمئة مقارنةً بأنظمة التدريع الأقدم التي لا تزال قيد التشغيل اليوم.
تدمج محطات الطاقة النووية الحديثة عادةً لُبانًا خزفية مع الخرسانة عالية المتانة التي تحتوي على الماجنتيت (Fe3O4) أو مواد السيربنتين لبناء حواجز مشعة متعددة الطبقات. يعمل هذا المزيج بشكل أفضل من استخدام الجدران الخزفية وحدها، حيث يقلل أشعة غاما بنسبة تقارب 22%. لكن هناك مشكلة واحدة صعبة – فالخزفيات والخرسانة يتمددان بشكل مختلف عند التسخين. فدرجة التمدد للخزفيات تبلغ حوالي 5.8 ميكرومتر لكل متر لكل درجة مئوية، في حين أن الخرسانة تتمدد أكثر من ذلك. ولذلك يقوم المهندسون بإدخال طبقات خاصة من الزركونيا المصنفة بينهما. تساعد هذه الطبقات الوسيطة في الحفاظ على استقرار البنية بأكملها حتى عندما تصل درجات الحرارة إلى 650 درجة مئوية أثناء التشغيل العادي.
EN
