آجرهای سرامیکی که در نیروگاههای هستهای استفاده میشوند، به دلیل توانایی شگفتانگیزشان در مقاومت در برابر تابش و حفظ پایداری حتی در دمای بالا، ایمنی ضروری را فراهم میکنند. این آجرها از کاربید زیرکونیوم با تقویتکننده کاربید سیلیسیم ساخته شدهاند و موادی را ایجاد میکنند که تقریباً ۹۸٪ از حداکثر تراکم نظری ممکن را دارند. این بستهبندی فشرده، فضاهای خالی بسیار اندکی بر جای میگذارد که از طریق آن تابش بتواند فرار کند. هنگام قرار گرفتن در معرض بمباران نوترونی در دمای حدود ۱۰۰۰ درجه سانتیگراد، این آجرها کمتر از نیم درصد از حجم خود را افزایش میدهند. این عملکرد بسیار بهتر از بتن معمولی است که تمایل دارد در طول زمان تغییر شکل داده و ترک بخورد. برای بهرهبرداران نیروگاه که نگران حاشیه ایمنی در طول دههها هستند، این نوع ثبات ساختاری تفاوت بزرگی ایجاد میکند.
در رآکتورهای آب تحت فشار (PWR)، آجرهای سرامیکی سه نقش کلیدی را در شرایط تنش عملیاتی شدید ایفا میکنند:
این عملکردها به لطف توانایی ماده در حفظ استحکام کششی بالای 200 مگاپاسکال در دمای 1200 درجه سانتیگراد ممکن میشود — حدی که از توانایی بیشتر آلیاژهای فولادی فراتر است.
سرامیکهای مورد استفاده در کاربردهای هستهای حاوی ایزوتوپ بورون-۱۰ هستند که بهخوبی نوترونهای حرارتی را جذب میکنند، زیرا این ماده دارای سطح مقطع جذب بسیار بالایی حدود ۳۸۳۷ بارن است. این سرامیکها همچنین ذرات تنگستن دارند که با استفاده از پدیده فوتوالکتریک، در انرژیهای زیر ۳ مگاالکترونولت، به مهار پرتوهای گاما کمک میکنند. طبق تحقیقات منتشرشده در سال گذشته، دیوارهای ساختهشده از این آجرهای سرامیکی با ضخامت حدود ۳۰ سانتیمتر، شار نوترون سریع را تقریباً ۹۲ درصد کاهش میدهند. این عملکرد در واقع بهتر از دیوارهای مشابه ساختهشده با شیشه بورات سرب است که تنها حدود ۷۸ درصد کاهش را فراهم میکنند. این واقعیت که این آجرها بهخوبی هر دو نوع پرتو را مهار میکنند، باعث شده است تا این مواد بهطور فزایندهای مهم شوند و در طراحی رآکتورهای جدید که بهزودی به بهرهبرداری میرسند، برای ساخت راهکارهای محافظتی در برابر پرتو، کوچکتر اما بسیار مؤثر، استفاده شوند.
روشهای جدید سینتر کردن همراه با مهندسی مرز دانه، مقاومت کششی سرامیکهای درجه هستهای را در آزمونها از مرز ۶۰۰ مگاپاسکال فراتر برده است. در مورد ترکیبهای کاربید سیلیسیوم و دیبورید زیرکونیوم، این مواد بهطور تقریبی ۴۰ تا ۶۰ درصد مقاومت شکست بیشتری نسبت به مواد آلومینایی معمولی که قبلاً بهصورت سنتی استفاده میشدند، نشان میدهند. آنچه این سرامیکها را واقعاً متمایز میکند، توانایی آنها در حفظ شکل خود حتی در معرض بمباران نوترونی تا ۱۵ جابجایی در هر اتم است. این نوع پایداری اهمیت زیادی برای قطعات رآکتور دارد که باید دههها در معرض تابش مداوم در نیروگاههایی که بیش از چهل سال بدون وقفه کار میکنند، دوام بیاورند.
موادی که به عنوان سرامیکهای دمای بسیار بالا (UHTCs) شناخته میشوند، میتوانند در شرایط رآکتور که از 2000 درجه سانتیگراد فراتر میروند، دوام بیاورند زیرا لایههای اکسید محافظ در سطح خود تشکیل میدهند، نرخ انبساط حرارتی بسیار پایینی در حدود 4.5 برابر 10 به توان منفی شش بر کلوین دارند و با وجود نقصهای موجود در شبکه بلوری خود، یکپارچگی ساختاری خود را حفظ میکنند. در مورد کاربید هافنیوم به طور خاص، این مواد تنها 2 درصد تغییر حجم نشان میدهند پس از 500 چرخه گرمایش و سرد کردن از 300 تا 1800 درجه سانتیگراد. این موضوع آنها را در مقایسه با گرافیت سنتی، در شرایط پیر شدن سریع در آزمایشگاه، تقریباً هشت برابر بادوامتر میکند.
جدول زیر عملکرد سد نوترونی را در میان مواد سرامیکی متداول مقایسه میکند:
| متریال | تضعیف نوترون (محدوده MeV) | مسدود کردن پرتو گاما | طول عمر عملیاتی |
|---|---|---|---|
| کاربید بورون | 0.025–14 (حرارتی-سریع) | متوسط | ۱۵ تا ۲۰ سال |
| دیبورید هافنیوم | 0.1–10 (شِبهحرارتی-سریع) | بالا | بیش از ۲۵ سال |
| کاربید تنگستن | 1–14 (نوترونهای سریع) | قهرمانی | 12–15 سال |
پیشرفتهای اخیر در ساخت افزودنی امکان معماریهای محافظ لایهای را فراهم کرده است که ترکیبی از مزایای این مواد را با کاهش وزن قطعات به میزان ۲۲ تا ۳۵ درصد نسبت به طراحیهای یکپارچه فراهم میکند. این نوآوری بهطور مستقیم به چالشهای دوام مشاهدهشده در نمونههای اولیه رآکتورهای نسل سوم+ پاسخ میدهد و ایمنی و عملکرد بلندمدت را تضمین میکند.
آزمایشهای انجامشده بر روی ۱۸ واحد رآکتور آب تحت فشار نشان میدهد که این آجرهای سرامیکی هستهای خاص تقریباً ۹۸ درصد از استحکام اولیه خود را حتی پس از قرارگیری به مدت پنج سال متوالی در معرض تابش شدید نوترونی حفظ میکنند. هنگامی که این آجرها در دمای حدود ۶۵۰ درجه سانتیگراد در معرض تغییرات دمایی شدید قرار میگیرند، بهطور قابل توجهی تا ۱۲۰۰۰ ساعت بدون ایجاد ترکهای ریز دوام میآورند که در واقع ۱۵ درصد بهتر از حد مجاز آژانس بینالمللی انرژی اتمی برای دوام بلندمدت است. روش ساخت این آجرها، تقریباً ۴۰ درصد محافظت بیشتری در برابر آسیبهای ناشی از تابش نسبت به مواد محافظ معمولی که امروزه در نیروگاهها استفاده میشوند، فراهم میکند. این موضوع از طریق آزمایشهای متعددی که به بررسی عملکرد مواد مختلف در مقابله با حرارت در انواع جدید رآکتورهای هستهای در حال توسعه امروزی پرداختهاند، تأیید شده است.
نیروگاههای هستهای امروزه شروع به استفاده از آجرهای سرامیکی مخلوط با موادی مانند کاربید بورون کردهاند که نوترونها را جذب میکنند. این مواد جدید نفوذ پرتو گاما را در مقایسه با گزینههای قدیمیتر حدود ۶۲ درصد کاهش میدهند، در حالی که انعطافپذیری ساختاری خود را حفظ میکنند. بررسی دادههای واقعی از رآکتورهای آب تحت فشار اروپایی چیز جالبی را نیز نشان میدهد. محافظت سرامیکی در دوره دهساله، حدود سهچهارم کمتر از سدهای بتنی معمولی نیاز به تعمیر و نگهداری دارد. محققان در حال حاضر در حال کار بر روی بهبود بیشتر این مواد از طریق طراحیهای چگالی تدریجی هستند. این امر به مقاومت بهتر آنها در برابر ضربههای حرارتی کمک میکند که برای طراحیهای جدیدتر رآکتورها که در حین کار دچار تغییرات ناگهانی دما میشوند، اهمیت زیادی دارد.
آجرهای سرامیکی مدرن هستهای از پیشرفتهای علم مواد و فناوری تولید بهره میبرند. در حالی که سینتر کردن سنتی همچنان پایهای است، ساخت افزودنی (AM) امکان ایجاد هندسههای پیچیدهای را فراهم میکند که قبلاً دستیابی به آنها غیرممکن بود. مطالعهای در سال ۲۰۲۴ نشان میدهد که سرامیکهای تولید شده با روش ساخت افزودنی به چگالی ۹۸٫۵٪ میرسند و تحمل بهتری در برابر تابش دارند و نشت نوترون را به میزان ۱۸٪ نسبت به معادلهای ریختهگری شده کاهش میدهند.
سینتر کردن تحت فشار گاز همچنان روش مورد اعتمادی برای تولید آجرهای بسیار متراکم کاربید زیرکونیوم است که در کاربردهای پیشرفته مورد نیازند. اما این روزها، ساخت افزودنی (افزایشی) دارد چیزها را تغییر میدهد. روشهایی مانند جتگذاری بایندر و استرئولیتوگرافی، امکان تولید قطعات محافظ با عملکرد درجهبندیشدهٔ پیچیدهای را فراهم میکنند که روشهای سنتی قادر به ساخت آنها نیستند. اعداد و ارقام هم خوب به نظر میرسند. صحبت از کاهش ضایعات مواد در حدود ۳۰ تا ۴۰ درصد است که در مورد مواد گرانقیمت موضوع بزرگی محسوب میشود. و دقت ابعادی؟ حدود ۵۰ میکرومتر طبق مطالعات اخیر منتشر شده در مجله تحقیقات مواد. درست است که چرا تولیدکنندگان زیادی شروع به توجه به این روشهای جدید کردهاند.
علیرغم پیشرفت، پذیرش گسترده با موانعی مواجه است:
نانوکامپوزیتهای آلومینا-کاربید سیلیسیم بهبود ۲۲ درصدی در تضعیف پرتو گاما در انرژی ۲ مگاالکترونولت نسبت به سرامیکهای تکجزئی نشان میدهند. افزودن ۳ درصد وزنی نانولولههای نیترید بور، مقطع فعال جذب نوترون را ۴۰ درصد افزایش میدهد بدون آنکه هدایت حرارتی تحت تأثیر قرار گیرد و این مقدار بالاتر از ۲۵ وات بر مترکلوین باقی میماند — که این ویژگی آنها را به نامزدهای مناسبی برای اجزای چندکاره سد کردن تشعشع تبدیل میکند.
ترکیبهای پلیمر-سرامیک، مانند کامپوزیتهای اپوکسی-کاربید بور، به ۸۰ درصد از عملکرد سرب در سد کردن تشعشع دست مییابند در حالی که ۳۰ درصد سبکتر هستند. با این حال، حد دمایی آنها که ۲۵۰ درجه سانتیگراد است، استفاده از آنها را به سیستمهای کمکی محدود میکند و استفاده از آنها در هسته رآکتورها که نیاز به مقاومت بالاتر در برابر دما دارد، غیرممکن میسازد.
قطعات سرامیکی که در کاربردهای هستهای استفاده میشوند باید الزامات سختگیرانه ایمنی جهانی را برآورده کنند. بر اساس دستورالعمل SSG-37 آژانس بینالمللی انرژی اتمی، مواد محافظ باید بتوانند قبل از نشان دادن هرگونه علامت از آسیب ساختاری، به دوزهای تابشی بالاتر از ۱۰۰ میلیون واحد گری مقاومت کنند. رعایت استانداردهای ASME BPVC-III و مشخصات ISO 17872:2020 به تضمین این امر کمک میکند که این مواد بتوانند نوترونها را در رآکتورهای آب تحت فشار حداقل با بازدهی ۸۵ درصد جذب کنند. خبرگان صنعت اخیراً توصیههای فنی خود را بهروز کردهاند تا شامل نظارت مداوم بر ترکهای بسیار ریز در قطعات سرامیکی نیروگاههای نسل جدیدتر III+ شود. این رویکرد پیشگیرانه نشان داده است که در مقایسه با سیستمهای محافظ قدیمیتری که هنوز در حال کار هستند، بهطور تقریبی ۴۰ تا ۴۵ درصد از شکستهای احتمالی را کاهش میدهد.
نیروگاههای هستهای مدرن معمولاً از ترکیب آجرهای سرامیکی و بتن سنگین که شامل مواد مگنتیت (Fe3O4) یا سربنتین است، برای ساخت سدهای لایهای در برابر پرتوها استفاده میکنند. این ترکیب عملکرد بهتری نسبت به استفاده صرفاً از دیوارهای سرامیکی دارد و حدود ۲۲ درصد از پرتوهای گاما را کاهش میدهد. با این حال یک مشکل پیچیده وجود دارد - سرامیک و بتن در هنگام گرم شدن به طور متفاوتی منبسط میشوند. سرامیک با نرخ حدود ۵٫۸ میکرومتر در متر درجه سانتیگراد گسترش مییابد، در حالی که بتن بیشتر از این مقدار منبسط میشود. به همین دلیل مهندسان لایههای واسط خاص زیرکونیای تدریجی را بین این دو ماده قرار میدهند. این لایههای واسط به حفظ پایداری کل سازه حتی در دماهایی که در عملکرد عادی تا ۶۵۰ درجه سانتیگراد میرسد، کمک میکنند.
EN
