TRISO yanacaq texnologiyası nüvə energetikası tətbiqlərində istifadə olunan bu keramik kürələrin əsasını təşkil edir. Bu kiçik hissəciklərin diametri yalnız bir neçə millimetrdir, lakin silisium karbid və karbondan ibarət bir neçə qoruyucu təbəqə ilə örtülmüş uran yanacağından ibarətdir. Bu, 1800 dərəcə Selsidən yuxarı olan çox yüksək temperaturlara məruz qalsa belə, radioaktiv materialların xaric olmasının qarşısını alan miniatür saxlama sistemi kimidir. Ali nüvə təhlükəsizliyi təşkilatları tərəfindən aparılan testlər göstərir ki, bu TRISO hissəcikləri ekstremal şəraitdə radioaktiv tullantıların təxminən 99,99 faizini daxilində saxlayır. Bu da onları müasir reaktorlarda təhlükəsiz işləməni təmin etmək üçün son dərəcə vacib edir və mühəndislərə mümkün sızmalardan və nasazlıqlardan narahat olmamağa imkan verir.
Keramik ekranlaşdırmanın effektivliyi, neytron modulyasiyasını, udulmasını və qamma zəifləməsini birləşdirən təbəqəli material arxitekturasına əsaslanır:
| Təbəqə Materialı | Funksiya | Radiasiyaya Dözümlülük Həddi |
|---|---|---|
| Silisium Karbid (SiC) | Əsas struktur maneəsi və neytron modulyatoru | 1 800°C-dək |
| Bor-Karbid (Bâ₄C) | Neytron udulması | 800°C davamlı |
| Volframla Gücləndirilmiş | Qamma şüalarının zəifləməsi | >300 keV foton enerjisi |
2023-cü ilin tədqiqatlarına görə, yüksək sıxlıqda keramiklər, məsələn, volfram-bizmut kompozitləri, ənənəvi polad ekranlaşdırıcıya nisbətən qamma radiasiyasının keçməsini 80% qədər azaldır. Bu çoxfunksional dizayn neytron, həm də qamma radiasiyasına qarşı möhkəm müdafiə edərkən səmərəli istiliyin yayılmasına imkan verir.
İdaho Milli Laboratoriyasında tədqiqatçılar TRISO əsaslı keramik kürələri simulyasiya edilmiş stansiya elektriksizliyi şəraitində sınamışlar. Testlər 400 saatdan çox müddət ərzində temperaturu 3000°F (1650°C) keçmişdir ki, bu da reaktorların adətən yaşadığı səviyyələrin xeyli üstündədir. Qeyd olunması vacib olan isə gamma şüalarının zəifləməsinin bütün test ərzində 97%-dən yuxarı sabit qalmasıdır. Bu nümayiş İŞEA-nın keramiklə örtülmüş yanacağın radiasiya sızıntısını ənənəvi uran oksid yanacaq çubuqlarına nisbətən təxminən 90% azalda biləcəyini göstərən məlumatları ilə uyğun gəlir. Başqa maraqlı cəhət isə keramiyanın radiasiya ilə bombardman edildikcə daha da sərtləşməsidir və bu, soyutma sistemləri tamamilə işləməz hala gəlsə belə, əriməyə qarşı daha davamlı olmasını təmin edir.
Keramik kürələrin həm istilik, həm də radioloji cəhətdən sabit qalmasında qrafitlə yanaşı silisium karbidin (SiC) də vacib rolu var. SiC komponenti 1600 dərəcə Selsidən yuxarı temperaturda belə möhkəm qalır və 10^21 n/sm²-dən çox neytron axınına məruz qaldıqda asanlıqla parçalanmır. Bu o deməkdir ki, bu materiallar xeyli daha ağır şəraitdə xeyli uzun müddət dayanar. Qrafit də istiliyi istiqamətlənmiş istilik keçiriciliyi xüsusiyyətləri sayəsində effektiv şəkildə yayarkən artıq neytronları udaraq kömək edir. Bu birləşmə olmasaydı, reaktor nüvəsinin daxilində təhlükəli isti ləkələrin yaranması mümkündür ki, bu da gələcəkdə ciddi problemlərə səbəb ola bilər.
Keramik materiallar bor-10 ilə yükləndikdə, 10B(n,α)7Li reaksiya prosesi adlanan hadisə vasitəsilə bu narahat edici istilik neytronlarının təxminən 94%-ni tutabirlər. Qamma şüalarını dayandırmaq baxımından isə yüksək atom nömrəli materiallar ən yaxşısını göstərir. Volfram və vismut burada xüsusilə fotonların enerjisini fotoelektrik effekt adlanan bir proses vasitəsilə udmaqda çox yaxşıdır. Bor karbidin volframla qarışdırılmasından alınan yalnız 3 santimetr qalınlığında kompozit material qamma radiasiyasının intensivliyini demək olar ki, sıfra endirir — təxminən 99,8% azalma verir. Neytron və qamma radiasiyasına qarşı bu cür müdafiə beynəlxalq Atom Enerjisi Agentliyi tərəfindən 2023-cü ildə dərc edilmiş son tapıntılar daxil olmaqla, müxtəlif testlərlə təsdiqlənib.
Ti3SiC2 və Cr2AlC kimi birləşmələri özündə birləşdirən MAX fazalı keramikalar metalların və keramikaların ən yaxşı keyfiyyətlərini birləşdirir. Bu maddələr qırılmaya qarşı qeyri-adi möhkəmlik göstərir və adi silisium karbiddən təxminən üç dəfə yaxşı performans nümayiş etdirir. Onları daha da maraqlı edən isə neytronları səmərəli şəkildə modulyasiya edə bilmə qabiliyyətidir. Oak Ridge Milli Laboratoriyasının aparıcı tədqiqatçılarının apardığı tədqiqatlar olduqca təsirli nəticələr göstərib. Soyuducunun itirildiyi hallarda belə bu materiallar 800 dərəcə Selsi temperaturda ardıcıl olaraq üç gündən artıq müddət ərzində dayanıqlı qalır. Belə möhkəmlik, xüsusilə ərinti duzları və digər inkişaf etmiş konsepsiyalı dizaynlara əsaslanan nəsil reaktorlar üzərində işləyən alimlərin diqqətini cəlb etmişdir.
Keramik kürələrdə mühəndislik olunmuş nanostrukturlu dən sərhədləri helium baloncuklarının əmələ gəlməsini – radiasiya ilə şişmənin ən çox rast gəlinən səbəbini – təzyiq altına alır. Sürətləndirilmiş köhnəlmə testləri 40 reaktor illikinə ekvivalent olan şüalanmadan sonra həcmi dəyişikliyin 0,2%-dən az olduğunu göstərir. İstilik genişlənməsini sıxlığı və ekranlaşdırma performansını pozmadan yerləşdirmək üçün nəzərdə tutulmuş 8–12% aralığında porozlıq təmin edilir ki, bu da uzunmüddətli etibarlılığı təmin edir.
TRISO hissəciklərinin hər şeyi çox yaxşı saxlayan xüsusi dörd qatlı keramik dizaynı var. Həqiqi uran nüvəsinin ətrafında mexaniki və istilik gərginliklərini udan, başqa halda problem yarada biləcək bu porş karbon bуferi yerləşir. Silisium karbid təbəqəsinə nəzər saldıqda, bu, əsas müdafiə sistemi hesab olunur. Temperatur təxminən 1600 dərəcə Selsiyə çatdıqda belə radioaktiv maddələr 99,9 faizdən artıq səmərəliliklə içəridə qalır. Sonra daxili və xarici pirolit karbon təbəqələrinə keçirik. Onlar iki əsas funksiya yerinə yetirirlər. Birincisi, struktur dəstək verirlər, ikincisi isə uran nüvəsi ilə silisium karbid təbəqəsi arasında baş verməyə biləcək qeyri-istənilən kimyəvi reaksiyaları dayandırırlar. Bu bütöv konstruksiya temperatur tez-tez və zidd istiqamətlərə dəyişəndə belə hissəciyin bütövlüyünü saxlamasını təmin edir.
Sürətləndirilmiş testlər neytron təsirini onillikləri bir neçə həftəyə sıxır. Yüksək axın şəraitində (10¹ n/sm²) 10 000 saatdan sonra TRISO örtükləri öz orijinal möhkəmliyinin 98%-dən çoxunu saxlayırlar. SiC təbəqəsi demək olar ki, keçirməz qalır və 200 MGy-dən çox olan qamma dozasına məruz qaldıqdan sonra porozlıq 0,01%-dən aşağıdır — bu da sızmanı yarada biləcək mikroçatışmaların effektiv şəkildə qarşısını alır.
Dəqiq təbəqə ölçüləri radiasiyanın saxlanmasını istilik idarəetməsi ilə tarazlaşdırır:
| Sətir | Qalınlıq (µm) | Əsas funksiya |
|---|---|---|
| Gözenekli Karbon Bufer | 50–100 | İstilik gərginliyini udur |
| Daxili Pirolitik Karbon | 20–40 | Çərəz-SiC reaksiyalarının qarşısını alır |
| Silicon Karbid | 30–50 | Bölgü məhsullarını bloklayır |
| Xarici Pirolitik Karbon | 40–60 | Mexaniki degradasiyaya qarşı müqavimət |
Simulyasiyalar göstərir ki, SiC təbəqəsinin 25 µm-dən 35 µm-ə qədər artırılması neytron bloklaşdırılmasını 60% yaxşılaşdırır və radiasiya sızmasının riskini əhəmiyyətli dərəcədə azaldır.
İstehsalçılar indi ölçülərdə çox dəqiq toleranslar (<0.5% fərq) əldə etmək üçün ISO 21439:2023 standartlarını izləyirlər. Avtomatlaşdırılmış örtük sistemləri illik hər reaktor yükü üçün 10 milyondan çox yanacaq nüvəsi istehsalına imkan verən 95% istehsal hasilatı təmin edir — bu da 2020-ci ildən bəri 300% yaxşılaşmadır. Bu miqyaslaşdırma qlobal miqyasda kürəşəkilli və maye duzlu reaktorlarda ardıcıl keyfiyyətin təmin edilməsini mümkün edir.
Bor karbid (B4C) neytronları idarə etməkdə vacib rol oynayır, çünki 10B izotopları üçün təxminən 3840 barn olan yüksək udma en kəsiti var. Tədqiqatçılar təxminən %15 bor karbid ehtiva edən keramik kürələri sınadıqda, təxminən 92% azalma ilə nəfəs alma axınının təsirini görkəmli dərəcədə azaltdığını gördülər. Həqiqi çətinlik isə müxtəlif enerji səviyyələri ilə məşğul olduqda yaranır. Buna görə də müasir materiallar tez-tez epitermal neytronlar üçün xüsusi olaraq qadolinium oksidi (Gd2O3) qarışdırır, hafnium diborid (HfB2) isə sürətli hərəkət edənləri daha yaxşı idarə edir. Bu birləşmələr ümumiyyətlə 2 MeV tənzimlənməsində tərsinə 8-12 sm aralığında zəifləmə əldə edir ki, bu da onları köhnə həllərdən daha çox yönlü edir.
| Material | Neytron Enerjisi Aralığı | Udulma Səmərəliliyi (sm⁻¹) |
|---|---|---|
| Bor-Karbid | Termal (<0,025 eV) | 10.2 |
| Qadolinium Oksid | Epitermal (1–100 eV) | 7.8 |
| Hafni Diborid | Sürətli (>1 MeV) | 3.4 |
Qamma şüalanmasından qorunmaq üçün istehsalçılar tez-tez volfram karbid və ya vismut trioksid kimi ağır materiallara üz tuturlar. Təxminən 30 faiz volfram karbid ehtiva edən 10 mm qalınlığında keramik ekran götürək. Bu konstruksiya 1,33 MeV təşkil edən enerji səviyyələri ilə işləyərkən qamma şüalarını təxminən 85 faiz azaldır. Belə performans qurğuşunla bağlı sağlamlıq riskləri olmadan bizim əldə etdiyimiz nəticələrlə eyni səviyyədədir. Vismut əsaslı variantlara baxdığımız zaman şüalanmanın bloklanma qabiliyyəti qram başına 0,12 ilə 0,18 kvadrat santimetr arasında ölçülür. Bu xüsusiyyətlər vismut keramikasını məkanın önəmli olduğu və təhlükəsizlik standartlarının eyni zamanda təmin edilməsi tələb olunduğu hallarda xüsusilə yaxşı seçim halına gətirir.
Bâ₄C, WC və SiC-ni birləşdirən inteqrasiya edilmiş dizaynlar multifunksional maneələr yaradır. Məsələn, üçqat struktur (Bâ₄C/WC/SiC) 1.600°C-ə qədər olan iş temperaturlarında neytronların 99%-dən çoxunu udur və qamma şüalarını 80% təşkil edir və bu da tək bir sistemdə tam mühafizə təmin edir.
Keramik enkapsulyasiya avariya hallarında seziyum-137 kimi bölünmə məhsullarının saxlanılmasını təmin edir. TRISO hissəciklərindəki SiC örtüyü 1.800°C-də radioaktiv nüklidlərin 99,996%-ni saxlayır ki, bu da 2023-cü ildə IAEA tərəfindən keçirilən gərginlik testləri ilə təsdiqlənib. Bu passiv saxlama xarici soyutma və ya insan müdaxiləsinə ehtiyacın aradan qaldırılmasına imkan verir və reaktorun davamlılığını əhəmiyyətli dərəcədə artırır.
HTQR-lər tez-tez 1600 dərəcə Selsidən yuxarı olan çox yüksək temperaturlarda işləyir, lakin orada istifadə olunan keramik kürələr xüsusi TRISO hissəciyi dizaynı sayəsində bütöv qalır. Bu materialları bu qədər etibarlı edən şey, parçalanmadan 3000 Fahrenheytin üzərində temperaturu dözə bilən silisium karbid örtüyüdür. Bu, reaktorun heç kim tərəfindən nəzarət edilmədiyi və ya elektrik itəcələri baş verdiyi zaman belə təbii şəkildə soyuması deməkdir. IAEA kimi təşkilatların apardığı tədqiqatlar bu daxili təhlükəsizlik üstünlüyünü göstərmişdir və bu cür reaktorların elektriksiz uzun müddət həyat qabiliyyətini saxlaya biləcəyini göstərir. Mühəndislər ən pis ssenarilərin modelləşdirilməsini apardıqda da təəccüblü bir şey tapırlar: keramik yanacaqlar eyni şəraitdə adi yanacaq çubuqlarına nisbətən radioaktiv materialların sızmasına təxminən 98 faiz daha yaxşı mane olur. Belə performans zavod operatorlarına qazanın qarşısının daha yaxşı alınacağını bildikləri üçün sakitliyini verir.
Ənənəvi uran oksid peletləri gərginlik altında çatlaya bilən örtük təbəqəsinə asılıdır, keramik kürələr isə radiasiya zədələnməsinə qarşı davamlı bir neçə qoruyucu təbəqə daxilində yanacaq materialını əhatə edir. Oak Ridge Milli Laboratoriyasında aparılan testlər bunu təsdiqləyir və bu yeni dizaynların köhnə üsullarla müqayisədə nüvə reaksiyalarından meydana gələn təhlükəli sızmaları təxminən 90% azaltdığını göstərir. Keramik texnologiyası üçün başqa bir böyük üstünlük su ilə necə qarşılıqlı təsir etməsidir. Keramik su ilə qeyri-aktiv olmasından dolayı reaktor qəzası baş verdikdə partlayıcı hidrogen qazının yaranma ehtimalı xeyli azalır. Bu, belə hidrogen toplanmasının əsas narahatlıq doğurduğu konvensional yüngül su reaktor dizaynlarından xeyli daha təhlükəsizdir.
ABŞ, Çin və Fransa daxil olmaqla on beşdən çox ölkə növbəti nəsil reaktor texnologiyaları üçün keramik yanacaq sistemlərinin inkişafına başlayıb. Keçən il Dünya Nüvə Assosiasiyasının yayımladığı məlumatlara görə, yüksək temperaturlu qazla soyudulan və keramik kürəciklərdən istifadə edən reaktorlar 2030-cu illərin ortalarına qədər dünyanın ümumi nüvə enerjisi istehsalının təxminən on iki faizini təşkil edə bilər. Hazırda davam edən standartlaşdırma təşəbbüsləri gələn illərdə TRISO istehsal xərclərini təxminən yarısı qədər azaltmağı hədəfləyir. Bu xərcin azalması bu irəli səviyyəli yanacaqların kiçik modul reaktorlarda, hətta bir çox şirkətin hal-hazırda sınaqdan keçirdiyi daha da kiçik mikroreaktor dizaynlarında geniş istifadəsinə imkan yaradacaq.
EN
