Керамичните тухли, използвани в атомни електроцентрали, осигуряват жизненоважно съдържане благодарение на изключителната си устойчивост към радиация и способността да запазват стабилност дори при повишени температури. Тези тухли са изработени от циркониев карбид с армировка от силициев карбид, като се получават материали, които постигат плътност около 98% от теоретично възможната. Това плътно подреждане оставя много малко празнини, през които радиацията би могла да премине. При облъчване с неутрони при около 1000 градуса Целзий, тези тухли увеличават обема си с по-малко от половин процент. Това е значително по-добре в сравнение с обикновения бетон, който с течение на времето има тенденция да се деформира и пукне. За операторите на централи, загрижени за безопасността през десетилетия, такава структурна последователност прави голяма разлика.
В наляганите водни реактори (PWR) керамичните тухли изпълняват три ключови функции при екстремни експлоатационни натоварвания:
Тези функции са възможни благодарение на способността на материала да запазва якост на опън над 200 MPa при 1200°C — праг, който надхвърля възможностите на повечето стоманени сплави.
Керамиките, предназначени за ядрени приложения, съдържат изотопи на бор-10, които ефективно поглъщат топлинни неутрони, тъй като имат много голямо сечение на улавяне от около 3837 барна. Те съдържат и волфрамови частици, които помагат да блокират гама лъчите чрез т.нар. фотоефект, когато енергиите са под 3 MeV. Според проучване, публикувано миналата година, стени от тези керамични тухли с дебелина около 30 сантиметра могат да намалят потока на бързи неутрони почти с 92 процента. Това всъщност е по-добре в сравнение с подобни стени от оловно-боратно стъкло, които осигуряват намаление само с около 78%. Фактът, че тези тухли ефективно задържат и двата вида радиация, означава, че те стават все по-важни за изграждането на по-малки, но високо ефективни решения за радиационна защита в нови реакторни проекти, които скоро ще бъдат пуснати в експлоатация.
Нови методи за спечелване, комбинирани с инженерство на границите на зърната, повдигнаха ядрените керамики над границата от 600 MPa по време на изпитвания за якост на опън. Когато става въпрос за смеси от силициев карбид и циркониев диборид, те показват около 40 до 60 процента по-добра устойчивост на пукане в сравнение със стандартните алуминиеви материали, които традиционно са били използвани. Това, което наистина отличава тези керамики, е тяхната способност да запазят формата си дори при облъчване с неутрони, достигащо до 15 премествания на атом. Такава стабилност има голямо значение за реакторни части, които трябва да издържат десетилетия непрекъснато радиационно въздействие в електроцентрали, проектирани да работят непрекъснато повече от четиридесет години.
Материали, известни като ултрависокотемпературни керамики (UHTCs), могат да издържат на условия в реактори с температури над 2000 градуса по Целзий, тъй като образуват защитни оксидни слоеве на повърхността си, имат много нисък коефициент на топлинно разширение – около 4,5 пъти по 10 на минус шеста степен за Келвин – и запазват структурната си цялост въпреки дефекти в кристалната решетка. Когато става дума конкретно за хафниев карбид, тези материали показват само 2 процента промяна в обема след 500 цикъла на нагряване и охлаждане от 300 до 1800 градуса по Целзий. Това ги прави приблизително осем пъти по-издръжливи в сравнение с традиционния графит, когато се тестват при бързо стареене в лабораторни условия.
Таблицата по-долу сравнява ефективността при неутронно екраниране на често използвани керамични материали:
| Материал | Заглушаване на неутрони (в мегаелектронволтов диапазон) | Блокиране на гама лъчи | Експлоатационен живот |
|---|---|---|---|
| Борен карбид | 0,025–14 (топлинни-бързи) | Умерена | 1520 години |
| Диборид на хафний | 0,1–10 (епитоплинни-бързи) | Висок | 25+ години |
| Тунгътен карбид | 1–14 (бързи неутрони) | Екстремен | 12–15 години |
Новите постижения в адитивното производство позволяват слоести екраниращи архитектури, които комбинират предимствата на тези материали и при това намаляват теглото на компонентите с 22–35% в сравнение с монолитни конструкции. Тази иновация директно решава предизвикателствата за издръжливост, наблюдавани при прототипите на реактори от поколение III+, осигурявайки дългосрочна безопасност и експлоатационни качества.
Тестове, проведени върху 18 единици с налягано воден реактор, показват, че тези специални ядрени керамични тухли запазват около 98% от първоначалната си якост, дори след като са били подложени на интензивно неутронно облъчване в продължение на пет последователни години. При екстремни температурни промени около 650 градуса по Целзий те издържат впечатляващи 12 000 часа без образуване на микротръщини, което всъщност е с 15% по-добре от допустимото според Международната агенция за атомна енергия за дългосрочна издръжливост. Начинът на производство на тези тухли им осигурява приблизително 40% по-голяма защита срещу радиационни повреди в сравнение с обикновените материали за екраниране, използвани в момента в електроцентралите. Това е потвърдено чрез различни експерименти, изследващи устойчивостта на материали към топлина в нови типове ядрени реактори, които се разработват днес.
Съвременните атомни централе започват да използват керамични тухли, смесени с вещества като борен карбид, които поглъщат неутрони. Тези нови материали намаляват проникването на гама лъчи с около 62 процента в сравнение с по-старите варианти, като при това запазват своята структурна гъвкавост. Анализът на реални данни от европейски реактори с налягано вода показва още един интересен факт. Керамичната защита изисква приблизително с три четвърти по-малко поддръжка в сравнение с обикновените бетонни бариери за десетгодишен период. В момента учени работят върху допълнително подобряване на тези материали чрез проектиране с постепенно променлива плътност. Това им помага да понасят по-добре топлинни шокове, което е от голямо значение за по-новите проекти на реактори, които изпитват рязки температурни промени по време на работа.
Съвременните ядрени керамични тухли се възползват от пробиви както в материалознанието, така и в производствените технологии. Докато традиционното спечелване остава основополагащо, адитивното производство (AM) позволява сложни геометрии, които досега бяха недостижими. Проучване от 2024 г. демонстрира, че произведените чрез AM керамики достигат плътност от 98,5% с подобрена устойчивост към радиация, като намалят неутронната изгуба с 18% в сравнение с литите еквиваленти.
Синтерирането под газов налягане остава предпочтителен метод за производството на онези свръхплътни тухли от циркониев карбид, необходими за високопроизводствени приложения. Но добавъчното производство променя нещата през последните години. Техники като струйно нанасяне на свързващо вещество и стереолитография отварят врати към създаването на онези сложни функционално градуирани екраниращи компоненти, които традиционните методи просто не могат да обработват. И резултатите изглеждат доста добри. Говорим за намаляване на отпадъците от материали с около 30 до 40 процента, което е голяма работа, когато работите със скъпи материали. А размерната точност? Около 50 микрометра според проучвания, публикувани наскоро в списание Journal of Materials Research. Става ясно защо толкова много производители започват да обръщат внимание на тези нови подходи.
Въпреки напредъка, разпространеното прилагане среща препятствия:
Нанокомпозитите от алумина и силициев карбид показват подобрение с 22% в атенюацията на гама лъчите при 2 MeV в сравнение с монолитни керамики. Включването на 3 тегловни % борни нитридни нанотръби увеличава напречното сечение за улавяне на неутрони с 40%, без да се компрометира топлопроводността, която остава над 25 W/mK — което ги прави перспективни кандидати за многофункционални екраниращи компоненти.
Полимерно-керамични хибриди, като композити от епоксидна смола и борен карбид, постигат 80% от защитния ефект на олово при 30% по-ниско тегло. Въпреки това, техният температурен лимит от 250°C ограничава приложението им до спомагателни системи, а не до реакторни сърцевини, където се изисква по-висока устойчивост към високи температури.
Керамичните части, използвани в ядрени приложения, трябва да отговарят на строги международни изисквания за безопасност. Според насоките SSG-37 на Международната агенция за атомна енергия, материалите за екраниране трябва да могат да поемат дози радиация над 100 милиона грея, преди да се появят признаци на структурни повреди. Спазването както на стандарта ASME BPVC-III, така и на спецификациите ISO 17872:2020, гарантира, че тези материали могат ефективно да абсорбират неутрони поне на 85 процента в реактори с налягано вода. През последно време експертите от индустрията актуализираха техническите си препоръки, като включиха непрекъснато наблюдение за микроскопични пукнатини в керамичните компоненти на новите съоръжения от поколение III+. Този превантивен подход е оказал намаляване на потенциалните повреди с около 40 до 45 процента в сравнение с по-старите системи за екраниране, които все още са в експлоатация днес.
Съвременните атомни централи обикновено комбинират керамични тухли с тежкобетон, съдържащ магнетит (Fe3O4) или серицитови материали, за да изграждат слоести радиационни бариери. Комбинацията работи по-ефективно от използването само на керамични стени и намалява гама лъчите с около 22%. Има обаче един проблем – керамиката и бетонът се разширяват по различен начин при нагряване. Керамиката се разширява с около 5,8 микрометра на метър на градус Целзий, докато бетонът се разширява още повече. Затова инженерите вмъкват специални преходни слоеве от циркония между тях. Тези междинни слоеве помагат да се запази устойчивостта на цялата конструкция, дори когато температурите достигнат до 650 градуса Целзий по време на нормална експлоатация.
EN
