فناوری سوخت TRISO اساس کره‌های سرامیکی مورد استفاده در کاربردهای هسته‌ای را تشکیل می‌دهد. این ذرات بسیار ریز تنها چند میلی‌متر قطر دارند، اما حاوی سوخت اورانیوم هستند که با چندین لایه محافظ از جنس کاربید سیلیسیوم و کربن پوشانده شده‌اند. این ساختار یک سیستم کنتینمنت کوچک را ایجاد می‌کند که حتی در دمای بسیار بالای بالای ۱۸۰۰ درجه سانتی‌گراد نیز از خروج مواد رادیواکتیو جلوگیری می‌کند. آزمایش‌های انجام‌شده توسط سازمان‌های برتر ایمنی هسته‌ای نشان می‌دهد که این ذرات TRISO حدود ۹۹٫۹۹ درصد از محصولات جانبی رادیواکتیو را در شرایط سخت نگه می‌دارند. این ویژگی آنها را به عاملی بسیار مهم برای اطمینان از عملکرد ایمن رآکتورهای امروزی تبدیل کرده و به مهندسان آرامش خاطر می‌دهد که از نشت یا خرابی‌های احتمالی جلوگیری شده است.
اثربخشی محافظ سرامیکی ناشی از معماری لایه‌ای مواد آن است که شامل تعدیل نوترون، جذب و تضعیف گاما می‌شود:
| ماده لایه | عملکرد | آستانه مقاومت در برابر تابش |
|---|---|---|
| کاربید سیلیسیوم (SiC) | سده ساختاری اولیه و کندکننده نوترون | تا ۱,۸۰۰°C |
| بورون-کاربید (B₄C) | جذب نوترون | ۸۰۰°C به طور مداوم |
| تنگستن-تقویتشده | تضعیف پرتو گاما | >۳۰۰ کیلوالکترون‌ولت انرژی فوتون |
سیالیم‌های با چگالی بالا مانند ترکیبات تنگستن-بیسموت، نفوذ پرتو گاما را در مقایسه با محافظ‌های فولادی سنتی تا ۸۰٪ کاهش می‌دهند، بر اساس مطالعات انجام‌شده در سال ۲۰۲۳. این طراحی چندمنظوره امکان دispers شدن موثر گرما را فراهم می‌کند و در عین حال حفاظت قوی در برابر پرتوهای نوترونی و گاما را تضمین می‌کند.
در آزمایشگاه ملی ایداهو، محققان توپ‌های سرامیکی مبتنی بر TRISO را در شرایط شبیه‌سازی شده قطع برق ایستگاه مورد آزمایش قرار دادند. این آزمایش‌ها دمایی بالاتر از ۳۰۰۰ درجه فارنهایت (۱۶۵۰ درجه سانتی‌گراد) را به مدت بیش از ۴۰۰ ساعت متوالی به کار گرفتند که بسیار فراتر از شرایط معمول تأسیسات هسته‌ای است. نکته قابل توجه این بود که تضعیف پرتو گاما در طول زمان به‌طور مداوم بالاتر از ۹۷٪ باقی ماند. این مقدار به خوبی با داده‌های آژانس بین‌المللی انرژی اتمی همخوانی دارد که نشان می‌دهد سوخت محافظت شده با سرامیک می‌تواند در حین حوادث، انتشار مواد رادیواکتیو را در مقایسه با میله‌های سوخت اکسید اورانیوم سنتی حدود ۹۰٪ کاهش دهد. جنبه جالب دیگر این است که سرامیک در واقع با بمباران پرتوهای رادیواکتیو سفت‌تر می‌شود و حتی در صورت از کار افتادن کامل سیستم‌های خنک‌کننده نیز مقاومت بسیار بیشتری در برابر ذوب شدن از خود نشان می‌دهد.
کاربید سیلیسیوم (SiC) همراه با گرافیت نقش‌های مهمی در حفظ پایداری توپ‌های سرامیکی از نظر حرارتی و شعاعی دارند. مؤلفه SiC حتی زمانی که دما از 1600 درجه سانتی‌گراد فراتر رود، همچنان محکم باقی می‌ماند و در برابر شارش نوترون‌ها بیش از 10^21 نوترون در سانتی‌متر مربع به راحتی تجزیه نمی‌شود. این بدین معناست که این مواد می‌توانند در شرایط بسیار سخت مدت بسیار طولانی‌تری دوام بیاورند. گرافیت نیز با جذب آن نوترون‌های مزاحم و دفع حرارت به‌طور مؤثر بخاطر خواص انتقال حرارت جهت‌دارش، کمک شایانی می‌کند. بدون این ترکیب، شاهد ایجاد نقاط داغ خطرناک در داخل هسته رآکتورها خواهیم بود که می‌تواند منجر به مشکلات جدی در آینده شود.
وقتی مواد سرامیکی با بور-۱۰ بارگیری می‌شوند، می‌توانند حدود ۹۴٪ از آن نوترون‌های مزاحم حرارتی را از طریق فرآیند واکنش (n,α)7Li-10B جذب کنند. در مورد متوقف کردن پرتوهای گاما، موادی با شماره اتمی بالا بهترین عملکرد را دارند. تنگستن و بیسموت در این زمینه برجسته هستند، زیرا از طریق پدیده‌ای به نام اثر فوتوالکتریک به خوبی این فوتون‌های پرانرژی را جذب می‌کنند. ترکیب یک ماده مرکب به ضخامت تنها ۳ سانتی‌متر از کاربید بور با تنگستن، شدت تابش گاما را تقریباً به صفر می‌رساند—کاهشی معادل حدود ۹۹٫۸٪. این نوع محافظت در برابر تابش نوترونی و گاما در آزمایش‌ها تأیید شده است، از جمله یافته‌های اخیر منتشر شده توسط آژانس بین‌المللی انرژی اتمی در سال ۲۰۲۳.
موادی که به عنوان سرامیک‌های فاز MAX شناخته می‌شوند، از جمله ترکیباتی مانند Ti3SiC2 و Cr2AlC، ویژگی‌های برتر فلزات و سرامیک‌ها را ترکیب می‌کنند. این مواد استحکام قابل توجهی در برابر ترک خوردگی دارند و عملکردی حدود سه برابر بهتر نسبت به کاربید سیلیسیوم معمولی از خود نشان می‌دهند. آنچه این مواد را حتی جالب‌تر می‌کند، توانایی آنها در تعدیل نوترون‌ها به طور مؤثر است. مطالعات انجام‌شده توسط محققان آزمایگاه ملی اُک ریج چیزهای قابل توجهی را نشان داده‌اند. هنگامی که با شرایطی مواجه می‌شوند که در آن خنک‌کننده از دست می‌رود، این مواد در دمای ۸۰۰ درجه سانتی‌گراد برای بیش از سه روز متوالی مقاومت می‌کنند. این نوع از دوام توجه دانشمندانی را که روی رآکتورهای نسل بعدی کار می‌کنند، به ویژه آن‌هایی که شامل نمک‌های مذاب و سایر مفاهیم طراحی پیشرفته هستند، جلب کرده است.
مرزهای دانه‌های نانوساختار مهندسی‌شده در گلوله‌های سرامیکی از تشکیل حباب هلیوم جلوگیری می‌کنند—عامل رایج متورم‌شدن ناشی از تشعشع. آزمون‌های پیر شتابیده کمتر از ۰٫۲٪ تغییر حجمی را پس از قرارگیری در معرض معادل ۴۰ سال کارکرد رآکتور نشان می‌دهند. محدوده منظم تخلخل ۸ تا ۱۲ درصد، انبساط حرارتی را بدون تأثیر بر چگالی یا عملکرد محافظتی جذب می‌کند و قابلیت اطمینان بلندمدت را تضمین می‌کند.
ذرات TRISO دارای این طراحی سرامیکی ویژه با چهار لایه هستند که به خوبی همه چیز را در خود محبوس می‌کنند. این لایه نرم‌کننده کربنی متخلخل در اطراف هسته اورانیوم واقعی قرار دارد و به جذب تنش‌های مکانیکی و حرارتی کمک می‌کند که در غیر این صورت باعث بروز مشکلات می‌شدند. حالا اگر به لایه کاربید سیلیسیم نگاه کنیم، این لایه در واقع سیستم دفاعی اصلی است. آنچه اتفاق می‌افتد این است که مواد رادیواکتیو در داخل این لایه با بیش از ۹۹٫۹ درصد کارایی حتی در دماهای حدود ۱۶۰۰ درجه سانتی‌گراد ثابت می‌مانند. سپس به لایه‌های کربن پیروتیک داخلی و خارجی می‌رسیم. این لایه‌ها در واقع دو کار اصلی انجام می‌دهند. اول اینکه حمایت ساختاری فراهم می‌کنند و دوم جلوی هرگونه واکنش شیمیایی ناخواسته بین هسته اورانیوم و لایه کاربید سیلیسیم را می‌گیرند. این کل سامانه تضمین می‌کند که ذره حتی در شرایط تغییرات سریع و متناوب دما سالم باقی بماند.
آزمایش شتاب‌دهی شده دهه‌ها قرار گرفتن در معرض نوترون را در عرض چند هفته شبیه‌سازی می‌کند. پس از 10,000 ساعت در شرایط شار بالا (10¹n/cm²)، پوشش‌های TRISO بیش از 98٪ از استحکام اولیه خود را حفظ می‌کنند. لایه SiC تقریباً غیرقابل نفوذ باقی می‌ماند و پس از قرار گرفتن در معرض دوز گاما بیش از 200 مگاگری، تخلخل آن زیر 0.01٪ است که به‌طور موثر از ایجاد ترک‌های ریز که ممکن است منجر به نشتی شوند، جلوگیری می‌کند.
ابعاد دقیق لایه‌ها تعادلی بین حبس تشعشع و مدیریت حرارتی ایجاد می‌کند:
| لایه | ضخامت (میکرومتر) | عملکرد اصلی |
|---|---|---|
| لایه بافر کربن متخلخل | 50–100 | جذب تنش حرارتی |
| کربن پیروتیک داخلی | 20–40 | جلوگیری از واکنش‌های هسته-SiC |
| کربن سیلیکون | 30–50 | مسدود کردن محصولات شکافت هسته‌ای |
| کربن پیروتیک خارجی | 40–60 | مقاومت در برابر تخریب مکانیکی |
شبیه‌سازی‌ها نشان می‌دهند که افزایش لایه SiC از 25 میکرومتر به 35 میکرومتر، مسدودکردن نوترون را به میزان 60 درصد بهبود می‌بخشد و به‌طور قابل‌توجهی خطر نشت تابش را کاهش می‌دهد.
سازندگان اکنون از استانداردهای ISO 21439:2023 پیروی می‌کنند تا تحملات ابعادی بسیار دقیق (<0.5٪ واریانس) حاصل شود. سیستم‌های پوشش‌دهی خودکار بازده تولید 95٪ را فراهم می‌کنند و خروجی سالانه بیش از 10 میلیون هسته سوخت را در هر بارگیری رآکتور پشتیبانی می‌کنند—که نسبت به سال 2020 بهبودی معادل 300٪ نشان می‌دهد. این مقیاس‌پذیری کیفیت یکنواختی را برای استفاده در رآکتورهای تخته‌ای و رآکتورهای نمک مذاب در سراسر جهان تضمین می‌کند.
کاربید بورون (B4C) نقش کلیدی در کنترل نوترون‌ها ایفا می‌کند، زیرا این ماده دارای سطح مقطع جذب بسیار بالایی برای ایزوتوپ 10B است که دقیقاً حدود 3,840 بارن می‌باشد. هنگامی که محققان توپ‌های سرامیکی حاوی حدود 15٪ کاربید بورون را آزمایش کردند، کاهش قابل توجهی در شار نوترونی به میزان تقریباً 92٪ مشاهده شد. چالش واقعی زمانی پیش می‌آید که با سطوح انرژی مختلف سروکار داشته باشیم. به همین دلیل مواد مدرن اغلب اکسید گادولینیوم (Gd2O3) را به‌طور خاص برای مقابله با نوترون‌های اِپی‌ترمالِ مشکل‌ساز مخلوط می‌کنند، در حالی که دی‌بورید هافنیوم (HfB2) عملکرد بهتری در متوقف کردن نوترون‌های سریع دارد. این ترکیبات معمولاً نرخ تضعیفی بین 8 تا 12 سانتی‌متر معکوس در انرژی‌های حدود 2 MeV به دست می‌آورند که آنها را بسیار همه‌جانبه‌تر از راه‌حل‌های قدیمی‌تر می‌کند.
| متریال | محدوده انرژی نوترون | بازدهی جذب (cm⁻¹) |
|---|---|---|
| کاربید بورون | حرارتی (<0.025 eV) | 10.2 |
| اکسید گادولینیوم | اِپی‌ترمال (1–100 eV) | 7.8 |
| دی‌بورید هافنیوم | سریع (>1 MeV) | 3.4 |
برای محافظت در برابر تابش گاما، سازندگان اغلب به مواد سنگینی مانند کاربید تنگستن یا تری‌اکسید بیسموت روی می‌آورند. یک سپر سرامیکی حدود 10 میلی‌متر ضخامت که شامل حدود 30 درصد کاربید تنگستن است در نظر بگیرید. این ساختار در سطوح انرژی حدود 1.33 مگاالکترون‌ولت، تابش گاما را تقریباً 85 درصد کاهش می‌دهد. این عملکرد مشابه همان چیزی است که از سپرهای سربی سنتی به دست می‌آید، اما بدون آن همه خطرات بهداشتی ناشی از قرار گرفتن در معرض سرب. هنگام بررسی گزینه‌های مبتنی بر بیسموت، توانایی آنها در مسدود کردن تابش بین 0.12 تا 0.18 سانتی‌متر مربع بر گرم اندازه‌گیری می‌شود. این ویژگی‌ها سرامیک‌های بیسموتی را به گزینه‌های بسیار مناسبی تبدیل می‌کند که در آنها فضا مهم است و همزمان باید استانداردهای ایمنی رعایت شوند.
طراحی‌های یکپارچه که شامل B₄C، WC و SiC هستند، مانع‌های چندمنظوره ایجاد می‌کنند. به عنوان مثال، ساختار سه‌لایه (B₄C/WC/SiC) بیش از ۹۹٪ جذب نوترون و ۸۰٪ تضعیف گاما را در دمای عملیاتی تا ۱,۶۰۰°C فراهم می‌کند و محافظت جامعی را در یک سیستم واحد ارائه می‌دهد.
غلاف‌بندی سرامیکی اطمینان حاکم است که محصولات شکافت مانند سزیم-۱۳۷ در شرایط حادثه درون سیستم باقی بمانند. پوشش SiC در ذرات TRISO در دمای ۱,۸۰۰°C حدود ۹۹٫۹۹۶٪ رادیونوکلیدها را حفظ می‌کند که توسط آزمون‌های استرس IAEA در سال ۲۰۲۳ تأیید شده است. این حبس غیرفعال، وابستگی به خنک‌کنندگی خارجی یا دخالت انسانی را حذف کرده و تحمل رآکتور را به‌طور چشمگیری بهبود می‌بخشد.
رآکتورهای دمای بالای گازی (HTGRs) در دماهای بسیار بالا، اغلب بالاتر از ۱۶۰۰ درجه سانتی‌گراد کار می‌کنند، با این حال گلوله‌های سرامیکی مورد استفاده در آنجا به دلیل طراحی خاص ذرات TRISO سالم باقی می‌مانند. چیزی که این مواد را بسیار قابل اعتماد می‌کند، پوسته کاربید سیلیسیم است که می‌تواند دماهای بالاتر از ۳۰۰۰ درجه فارنهایت را بدون تجزیه تحمل کند. این بدین معناست که رآکتور حتی در صورت عدم نظارت یا قطعی برق نیز می‌تواند به‌صورت طبیعی خنک شود. تحقیقات سازمان‌هایی مانند آژانس بین‌المللی انرژی اتمی (IAEA) به این مزیت ایمنی ذاتی اشاره کرده‌اند و نشان داده‌اند که این رآکتورها می‌توانند در واقع دوره‌های طولانی بدون برق را survive کنند. هنگامی که مهندسان شبیه‌سازی‌هایی از بدترین سناریوهای ممکن انجام می‌دهند، به یافته‌ای شگفت‌انگیز نیز می‌رسند: سوخت‌های سرامیکی در حدود ۹۸ درصد بهتر از میله‌های سوخت معمولی در جلوگیری از خروج مواد رادیواکتیو در شرایط مشابه عمل می‌کنند. این سطح از عملکرد به اپراتورهای نیروگاه اطمینان می‌دهد که تأسیسات آنها در برابر حوادث بسیار ایمن‌تر هستند.
گلوله‌های سنتی اکسید اورانیوم به پوششی نیاز دارند که تحت تنش ممکن است ترک بخورد، در حالی که گلوله‌های سرامیکی ماده سوخت را درون چندین لایه محافظ قرار می‌دهند که در برابر آسیب ناشی از تابش مقاوم هستند. آزمایش‌های انجام‌شده در آزمایشگاه ملی اُک ریج این موضوع را تأیید می‌کنند و نشان می‌دهند که این طراحی‌های جدید نشت خطرناک ناشی از واکنش‌های هسته‌ای را در مقایسه با روش‌های قدیمی تقریباً ۹۰ درصد کاهش می‌دهند. مزیت دیگر مهم فناوری سرامیکی، نحوه برهمکنش آن با آب است. از آنجا که سرامیک به شدت با آب واکنش نمی‌دهد، احتمال تولید گاز هیدروژن منفجرشونده در صورت بروز حادثه در رآکتور بسیار کمتر است. این امر باعث می‌شود این نوع سوخت‌ها بسیار ایمن‌تر از طراحی‌های متداول رآکتور آب سبک باشند که در آنها تجمع هیدروژن همواره یک نگرانی عمده بوده است.
بیش از پانزده کشور از جمله ایالات متحده، چین و فرانسه شروع به توسعه سیستم‌های سوخت سرامیکی برای نسل بعدی فناوری رآکتورهای خود کرده‌اند. طبق داده‌های انجمن هسته‌ای جهانی منتشر شده در سال گذشته، رآکتورهای خنک‌شونده با گاز دمای بالا که از گلوله‌های سرامیکی استفاده می‌کنند، می‌توانند تا میان دهه ۲۰۳۰ حدود دوازده درصد از کل انرژی هسته‌ای جهان را تشکیل دهند. تلاش‌های جاری برای استانداردسازی امیدوارند که هزینه‌های تولید TRISO را در چند سال آینده تقریباً به نصف کاهش دهند. این کاهش هزینه، دسترسی به این سوخت‌های پیشرفته را برای استقرار در رآکتورهای ماژولار کوچک و حتی طراحی‌های ریز رآکتورهای کوچک‌تر که بسیاری از شرکت‌ها اکنون با آنها آزمایش می‌کنند، فراگیرتر کند.
EN
