Nüvə elektrik stansiyalarında istifadə olunan keramik kирmitlər yüksək temperaturlarda belə radiasiyaya davamlılıq və sabitlik saxlama qabiliyyətləri sayəsində vacib təchizat vasitəsi təşkil edir. Bu kirmitlər silisium karbiddən gücləndirilmiş zirkonium karbiddən hazırlanır və nəzəri sıxlığın təxminən 98%-ni əhatə edən materiallar yaradır. Belə sıx quruluş radiasiyanın yayılacağı çox az boşluqlar buraxır. Təxminən 1000 dərəcə Selsidə neytron bombardmanına məruz qaldıqda, bu kirmitlərin həcmi yüzdə yarımından az genişlənir. Bu göstərici vaxt keçdikcə deformasiya və çatlamalara meylli olan adi betondan xeyli yaxşıdır. Onilliklər boyu təhlükəsizlik marjlarını düşünən stansiya operatorları üçün bu cür struktur sabitliyi böyük fərq yaradır.
Təzyiqli su reaktorlarında (PWR) keramik kirmitlər ekstremal iş şəraitində üç əsas funksiya yerinə yetirir:
Bu funksiyalar materialın 1200°C-də 200 MPa-dan çox gərginlik möhkəmliyini saxlaya bilməsi sayəsində mümkündür — bu, ən çox polad ərintilərinin imkanlarını aşır.
Nüvə tətbiqləri üçün nəzərdə tutulmuş keramiklər isti neytronları effektiv şəkildə udmaq üçün bor-10 izotoplarını özündə birləşdirir, çünki onun təxminən 3837 barna bərabər olan çox yüksək tutma en kəsiyi var. Bundan əlavə, enerjisi 3 MeV-dən aşağı olduqda fotoelektrik effekti adlanan hadisə ilə qamma şüalarını blokada etməyə kömək edən volfram hissəciklərini də ehtiva edir. Keçən il yayımlanan tədqiqata görə, təxminən 30 santimetr qalınlığında bu keramik kiremitlərdən inşa edilmiş divarlar sürətli neytron axınını təxminən 92 faiz qədər azalda bilir. Bu göstərici, yalnız təxminən 78% azalma əldə edən qurğuşun-borat şüşədən hazırlanan analoji divarlardan daha yaxşıdır. Bu kiremitlərin hər iki radiasiya növünü yaxşı idarə edə bilməsi faktı, gələcəkdə fəaliyyətə başlayacaq yeni reaktor dizaynlarında daha kiçik, lakin hələ də çox effektiv radiasiya ekranlaşdırma həlləri qurmaq üçün onların getdikcə daha vacib hala gəlməsini təmin edir.
Dənə sərhədinin inşası ilə birləşdirilmiş yeni sintez üsulları nüvə səviyyəli keramikaların dartılma möhkəmliyində 600 MPa həddini keçməsinə imkan verib. Silisium karbid və zirkonium diborid qarışıqları nümunəsində onlar ənənəvi olaraq istifadə edilən standart alümina materiallarına nisbətən təxminən 40-dan 60 faizə qədər yaxşı partlamaya müqavimət göstərir. Bu keramikaları həqiqətən fərqləndirən xüsusiyyət onların neytron bombardmanına məruz qaldıqda, hətta atom başına 15 yer dəyişdirmə səviyyəsinə çatdıqda belə formasını saxlaya bilmə qabiliyyətidir. Bu cür sabitlik 40 ildən çox müntəzəm işləmək üçün nəzərdə tutulmuş elektrik stansiyalarının reaktor hissələri üçün onilliklər boyu davamlı radiasiya təsirinə dözümlü olmağı tələb edir.
Ultra yüksək temperatur keramikləri (UHTC) adlanan materiallar səthlərində qoruyucu oksid təbəqələri əmələ gətirdiyinə, təxminən 4,5 dəfə 10^-6 K^-1 olan çox aşağı istilik genişlənməsi sürətinə və kristal həcminin nasazlıqlarına baxmayaraq struktur bütövlüyünü saxlaya bildiyinə görə 2000 dərəcə Selsidən yuxarı olan reaktor şəraitində mövcud ola bilir. Xüsusilə hafni karbid baxımından bu materiallar 300-dən 1800 dərəcə Selsiyə qədər olan 500 istiləşmə və soyuma siklini keçdikdən sonra yalnız kiçik 2 faiz həcm dəyişikliyi göstərir. Bu onları laboratoriyada sürətli köhnəlmə şəraitində test edildikdə ənənəvi qrafitə nisbətən təxminən səkkiz dəfə daha davamlı edir.
Aşağıdakı cədvəl ümumi keramik materiallar üzrə neytron ekran performansını müqayisə edir:
| Material | Neytron Zəifləməsi (MeV aralığı) | Qamma Şüaların Bloklanması | İstismar müddəti |
|---|---|---|---|
| Bor Karbid | 0,025–14 (termal-sürətli) | Orta | 1520 il |
| Hafni Diborid | 0,1–10 (epitermal-sürətli) | Yuksək | 25+ İl |
| Tungsten Karbid | 1–14 (sürətli neytronlar) | Çox şəiddar | 12–15 il |
Əlavə istehsalat sahəsində son dövrdə qazanılan irəliləyişlər bu materialların güclü tərəflərini birləşdirən və monolitik konstruksiyalara nisbətən komponentlərin çəkisini 22–35% azaldan təbəqəli ekranlaşdırma arxitekturolarına imkan verir. Bu inkişaf, III+ nəsil reaktor prototiplərində müşahidə olunan davamlılıq problemlərini birbaşa həll edir və uzunmüddətli təhlükəsizlik və performansı təmin edir.
18 müsbət su reaktoru vahidində aparılan testlər göstərir ki, bu xüsusi nüvə keramik kирmitləri beş il boyu güclü neytron radiasiyasına məruz qalsa belə, öz orijinal möhkəmliyinin təxminən 98%-ni saxlayır. Təxminən 650 dərəcə Selsi temperaturunda ekstremal temperatur dəyişikliklərinə məruz qaldıqda, mikro çatlar əmələ gəlmədən 12.000 saat davam edir ki, bu da uzunmüddətli dayanıqlıq üçün Beynəlxalq Atom Enerjisi Agentliyinin qəbul etdiyi səviyyədən 15% yaxşıdır. Bu kirmitlərin istehsal üsulu onlara elektrik stansiyalarında cari istifadə olunan adi ekranlaşdırma materiallarına nisbətən təxminən 40% daha çox radiasiya zədələnməsinə qarşı müdafiə imkanı verir. Bu, bu gün inkişaf etdirilən yeni növ nüvə reaktorlarında müxtəlif materialların istilikə davamlılığını araşdıran müxtəlif təcrübələrlə təsdiqlənib.
Bu gün nüvə elektrik stansiyaları neytronları udan bor karbid kimi maddələrlə qarışdırılmış keramik kirlərin istifadəsinə başlayır. Bu yeni materiallar struktur elastikliyini saxlayarkən, köhnə variantlara nisbətən qamma şüalarının nüfuzunu təxminən 62 faiz azaldır. Avropa təzyiqli su reaktorlarının həyatiyyatdan götürülmüş məlumatlarına baxdıqda maraqlı bir şey də görünür: On il müddətinə baxdıqda keramik ekranlaşdırma adi beton maneələrindən təxminən dörddə üç qədər az təmir tələb edir. Tədqiqatçılar hazırda bu materialların sıxlığın pillə-pillə artırılması konstruksiyaları vasitəsilə daha da yaxşılaşdırılması üzərində işləyirlər. Bu, iş zamanı temperaturun birdən dəyişdiyi yeni nəsil reaktor dizaynları üçün vacib olan istilik şoklarına qarşı möhkəmlik göstərməyə kömək edir.
Müasir nüvə keramik kирpiçləri həm materialşünaslıq, həm də istehsal texnologiyasında qazanılan irəliləyişlərdən faydalanır. Ənənəvi sintezləmə əsasını təşkil etməyə davam etsə də, əlavə istehsal (AM) əvvəllər əldə edilməsi mümkün olmayan mürəkkəb həndəsi formaların yaradılmasına imkan verir. 2024-cü ildə aparılan bir tədqiqat göstərir ki, əlavə istehsal üsulu ilə hazırlanmış keramika 98,5% sıxlığa çatır və radiasiya müqaviməti yaxşılaşır, bu da sındırılmış analoqlarla müqayisədə neytron sızmasının 18% azalmasına səbəb olur.
Yüksək performanslı tətbiqlər üçün lazım olan super sıx zirkonyum karbid kiremitlərin hazırlanmasında qaz təzyiqi ilə sinterləmə hələ də ən çox istifadə olunan üsuldur. Lakin bu günlərdə əlavə istehsal bunu dəyişdirir. Bağlayıcı püskürtmə və stereolitografiya kimi texnikalar, ənənəvi üsulların idarə edə bilmədiyi gözəl funksional dərəcəli ekran komponentlərinin yaradılmasına imkan verir. Rəqəmlər də olduqca yaxşı görünür. Bahalı materiallarla işləyərkən böyük əhəmiyyət daşıyan 30-dan 40 faizə qədər material tullantılarının azaldılması haqqında danışırıq. Və ölçülü dəqiqlik? Son zamanlarda Materials Research jurnalında dərc edilmiş tədqiqatlara görə təxminən 50 mikrometr. Buna görə də bir çox istehsalçıların bu yeni yanaşmalara diqqət yetirməsinin səbəbi aydındır.
Tərəqqi qeyd olunsa da, geniş miqyasda tətbiq etməkdə çətinliklər var:
Alumina-silisium karbid nanokompozitləri monolit keramiklərlə müqayisədə 2 MeV-də qamma şüalarının zəifləməsində 22% yaxşılaşmanı nümayiş etdirir. Kütləvi olaraq 3% bor nitrid nanotrubaların əlavə edilməsi ilə termal keçiriciliyi 25 W/mK-dən yuxarı saxlanarkən neytron tutma kəsiyini 40% artırır—bu da onları multifunksional ekran komponentləri üçün perspektivli namizəd edir.
Epoksi-bor karbid kompozitləri kimi polimer-keramik hibridlər qurğuşunun ekran effektivliyinin 80%-nə çatır və 30% daha aşağı çəkiyə malikdir. Lakin onların 250°C olan temperatur həddi reaktor ürəkləri kimi yüksək temperatur davamlılığı tələb olunan sistemlərdə deyil, köməkçi sistemlərdə istifadəni məhdudlaşdırır.
Nüvə tətbiqlərində istifadə olunan keramik hissələr cəmiyyətin qəti təhlükəsizlik tələblərinə cavab verməlidir. Beynəlxalq Atom Enerjisi Agentliyinin SSG-37 rəhbərliyinə əsasən, ekranlaşdırma materialları struktur zədələnmə əlamətləri göstərməzdən əvvəl 100 milyon Greydən çox radiasiya dozasını dözə bilməlidir. ASME BPVC-III standartlarının və ISO 17872:2020 spesifikasiyalarının hər ikisinə cavab vermək bu materialların təzyiqli su reaktorlarında neytronları ən azı 85 faiz səmərəliliklə udmasını təmin etməyə kömək edir. Sənaye ekspertləri son zamanlar texniki tövsiyələrini yeni nəsil III+ stansiyalarının keramik komponentlərində mikro çatların davamlı monitorinqini daxil etməklə yeniləyiblər. Bu proaktiv yanaşma hazırda işlək olan köhnə ekran sistemləri ilə müqayisədə potensial nasazlıqları təxminən 40-45 faiz azaltmağı təmin edib.
Müasir nüvə elektrik stansiyaları adətən keramik kiremitləri maqnetit (Fe3O4) və ya serpentin materialları daxil edilmiş ağır betonla birləşdirərək təbəqəli radiasiya bariyerləri yaradır. Bu birləşmə yalnız keramik divarlardan istifadə etməkdən daha yaxşı işləyir və qamma şüalarını təxminən 22% azaldır. Ancaq bir problem var - keramika və beton istidə fərqli şəkildə genişlənir. Keramika təxminən 5,8 mikrometr/metr/dərəcə Selsi səviyyəsində genişlənir, beton isə daha çox. Buna görə mühəndislər onlar arasına xüsusi dərəcələndirilmiş zirkoniya təbəqələri yerləşdirirlər. Bu orta təbəqələr normal işləmə zamanı temperaturun 650 dərəcə Selsiyə qalxması halında belə bütün konstruksiyanın sabitliyini saxlamağa kömək edir.
EN
