પરમાણુ ઊર્જા સંયંત્રોમાં વપરાતી સેરામિક ઈંટો તેમની વિકિરણને પ્રતિકાર કરવાની અદ્ભુત ક્ષમતા અને તાપમાન વધવા છતાં સ્થિરતા જાળવી રાખવાને કારણે મહત્વપૂર્ણ સંગ્રહ માટે ઉપયોગી છે. આ ઈંટો ઝિર્કોનિયમ કાર્બાઇડમાંથી બનાવવામાં આવે છે જેમાં સિલિકોન કાર્બાઇડનું મજબૂતીકરણ હોય છે, જે ઘનતા માટે સૈદ્ધાંતિક રીતે શક્ય તેના લગભગ 98% સુધીની ગીચતા ધરાવતી સામગ્રી બનાવે છે. આ ગીચ ગોઠવણીથી વિકિરણ બહાર નીકળવા માટે ખૂબ ઓછી જગ્યા બચે છે. લગભગ 1000 ડિગ્રી સેલ્સિયસ પર ન્યુટ્રોન બોમ્બાર્ડમેન્ટને આધીન થતાં, આ ઈંટોનું કદ અડધા ટકા કરતાં ઓછું વિસ્તરે છે. આ સામાન્ય કાંકરી કરતાં ખૂબ વધુ સારું છે જે સમય જતાં વિકૃત અને ફાટી જાય છે. દાયકાઓ સુધી સુરક્ષા માર્જિન વિશે ચિંતિત સંયંત્ર સંચાલકો માટે, આ પ્રકારની રચનાત્મક સ્થિરતા મોટો તફાવત લાવે છે.
દબાણયુક્ત પાણીના પ્રતિક્રિયાક (PWRs) માં, અતિઉષ્ણ સંચાલન તણાવ હેઠળ સેરામિક ઈંટો ત્રણ મુખ્ય ભૂમિકાઓ ભજવે છે:
આ કાર્યો સામગ્રીની 1200°C એ 200 MPa થી વધુ તણાવની મજબૂતી જાળવી રાખવાની ક્ષમતાને કારણે શક્ય છે—જે મોટાભાગની સ્ટીલ મિશ્રધાતુઓની ક્ષમતાને આછી છે.
પરમાણુ એપ્લિકેશન માટે રેટ કરાયેલ સેરામિક્સમાં થર્મલ ન્યુટ્રોન્સને અસરકારક રીતે શોષવા માટે બોરોન-10 આઇસોટોપ્સનો સમાવેશ થાય છે, કારણ કે તેમની પાસે લગભગ 3837 બર્ન્સનો ખૂબ ઊંચો કેપ્ચર ક્રોસ સેક્શન હોય છે. તેમાં ટંગ્સ્ટન કણોનો પણ સમાવેશ થાય છે જે 3 MeV કરતાં ઓછી ઊર્જા હોય ત્યારે ફોટોઇલેક્ટ્રિક અસર દ્વારા ગામા કિરણોને અવરોધિત કરવામાં મદદ કરે છે. ગયા વર્ષે પ્રકાશિત સંશોધન મુજબ, આ સેરામિક ઇંટોથી બનાવેલી લગભગ 30 સેન્ટિમીટર જાડી દિવાલો ઝડપી ન્યુટ્રોન ફ્લક્સમાં લગભગ 92 ટકાનો ઘટાડો કરી શકે છે. આ વાસ્તવમાં લેડ-બોરેટ ગ્લાસથી બનાવેલી સમાન દિવાલો કરતાં વધુ સારું છે, જે માત્ર લગભગ 78% ઘટાડો જ મેનેજ કરી શકે છે. આ ઇંટો બંને પ્રકારના રેડિયેશનને ખૂબ સારી રીતે સંભાળી શકે છે તે હકીકત એ છે કે આગામી સમયમાં ઑનલાઇન આવી રહેલા નવા રિએક્ટર ડિઝાઇનમાં નાના પરંતુ હજુ પણ ખૂબ અસરકારક રેડિયેશન શિલ્ડિંગ સોલ્યુશન્સ બનાવવા માટે તેઓ વધુને વધુ મહત્વપૂર્ણ બની રહ્યા છે.
ન્યુક્લિયર ગ્રેડ સેરામિક્સને તણાવ પ્રતિરોધન પરીક્ષણોમાં 600 MPaની ઉપરની મર્યાદા પાર કરાવવા માટે નવી સિન્ટરિંગ પદ્ધતિઓને ગ્રેઇન બાઉન્ડરી એન્જિનિયરિંગ સાથે જોડવામાં આવી છે. સિલિકોન કાર્બાઇડ અને ઝિર્કોનિયમ ડાયબોરાઇડના મિશ્રણોની વાત આવે ત્યારે, તેઓ પરંપરાગત રીતે ઉપયોગમાં લેવાતા સ્ટેન્ડર્ડ એલ્યુમિના સામગ્રીની સરખામણીએ લગભગ 40 થી 60 ટકા વધુ ફ્રેક્ચર પ્રતિકાર દર્શાવે છે. આવા સેરામિક્સને ખરેખરા અલગ બનાવતું એ છે કે તેઓ 15 ડિસ્પ્લેસમેન્ટ પર એટમ જેટલા ઊંચા ન્યુટ્રોન બોમ્બાર્ડમેન્ટના અસરોને કારણે પણ તેમના આકારને જાળવી રાખે છે. ચાલીસ વર્ષ કરતાં વધુ સતત સંચાલન માટે બનાવાયેલી પાવર પ્લાન્ટમાં દાયકાઓ સુધી ચાલતા તીવ્ર વિકિરણની અસર સહન કરવાની જરૂરિયાત ધરાવતા રિએક્ટર ભાગો માટે આ પ્રકારની સ્થિરતા ખૂબ મહત્વપૂર્ણ છે.
જે સામગ્રીને અલ્ટ્રા હાઇ ટેમ્પરેચર સેરામિક્સ (UHTCs) કહેવામાં આવે છે, તે 2000 ડિગ્રી સેલ્સિયસથી વધુની રિએક્ટર પરિસ્થિતિમાં ટકી રહી શકે છે, કારણ કે તેમની સપાટી પર રક્ષણાત્મક ઓક્સાઇડ સ્તરો બનાવે છે, તેમની ઉષ્મીય પ્રસરણ દર ખૂબ જ ઓછો હોય છે—આશરે 4.5 ગણી 10ની માઇનસ છઠ્ઠી પર કેલ્વિન—અને તેમના ક્રિસ્ટલ લેટિસમાં ખામીઓ હોવા છતાં તેઓ સંરચનાત્મક સાબિતી જાળવી રાખે છે. ખાસ કરીને હેફનિયમ કાર્બાઇડની વાત કરીએ તો, આવી સામગ્રી 300થી 1800 ડિગ્રી સેલ્સિયસની 500 ગરમ કરવા અને ઠંડુ કરવાની ચક્રી પછી માત્ર 2 ટકા કદમાં ફેરફાર દર્શાવે છે. પ્રયોગશાળાની સેટિંગ્સમાં ઝડપી વાર્ષાકરણની સ્થિતિમાં પરીક્ષણ કરતી વખતે તેને પરંપરાગત ગ્રેફાઇટની સરખામણીએ લગભગ આઠ ગણી વધુ ટકાઉ બનાવે છે.
નીચેનું કોષ્ટક સામાન્ય સેરામિક સામગ્રી પર ન્યુટ્રોન ઢાંકણ કાર્યક્ષમતાની સરખામણી કરે છે:
| સામગ્રી | ન્યુટ્રોન મંદન (MeV શ્રેણી) | ગામા કિરણ અવરોધન | કાર્યાત્મક આયુષ્ય |
|---|---|---|---|
| બોરોન કાર્બાઇડ | 0.025–14 (થર્મલ-ફાસ્ટ) | મધ્યમ | 15–20 વર્ષ |
| હેફનિયમ ડાયબોરાઇડ | 0.1–10 (ઇપિથર્મલ-ફાસ્ટ) | ઉચ્ચ | 25+ વર્ષ |
| ટંગસ્ટન કાર્બાઇડ | 1–14 (ઝડપી ન્યુટ્રોન) | અતિશય | 12–15 વર્ષ |
ઉમેરાત્મક ઉત્પાદનમાં થયેલા તાજેતરના સુધારાઓ એવા સ્તરીકૃત શિલ્ડિંગ સ્થાપત્યોને સક્ષમ કરે છે જે આ સામગ્રીની મજબૂતાઈને જોડે છે અને એકલા ડિઝાઇનની સરખામણીએ 22–35% ઘટાડો કરીને ઘટકનું વજન ઘટાડે છે. આ નવીનતા પેઢી III+ રિએક્ટર પ્રોટોટાઇપ્સમાં જોયેલી ટકાઉપણાની પડકારોનું સીધું સમાધાન કરે છે, જે લાંબા ગાળાની સુરક્ષા અને કાર્યક્ષમતા સુનિશ્ચિત કરે છે.
18 પ્રેશરાઇઝ્ડ વોટર રિએક્ટર યુનિટ્સ પર કરવામાં આવેલા પરીક્ષણો દર્શાવે છે કે આ ખાસ ન્યુક્લિયર સેરામિક ઈંટો પાંચ લગાતાર વર્ષ સુધી તીવ્ર ન્યુટ્રોન રેડિયેશનની અંદર રહ્યા પછી પણ તેમની મૂળ મજબૂતીના લગભગ 98% જાળવી રાખે છે. જ્યારે તેમને લગભગ 650 ડિગ્રી સેલ્સિયસ તાપમાનમાં તીવ્ર ફેરફાર દ્વારા પસાર કરવામાં આવે છે, ત્યારે તેઓ 12,000 કલાક સુધી નાના ફાટા વગર ટકે છે, જે લાંબા ગાળાની ટકાઉપણા માટે આંતરરાષ્ટ્રીય પરમાણુ ઊર્જા એજન્સી દ્વારા માન્ય ધોરણ કરતાં 15% વધુ છે. આ ઈંટોની ઉત્પાદન પદ્ધતિને કારણે તેમને હાલના પાવર પ્લાન્ટ્સમાં ઉપયોગમાં લેવાતી સામાન્ય શિલ્ડિંગ સામગ્રીની સરખામણીમાં રેડિયેશન નુકસાન સામે લગભગ 40% વધુ રક્ષણ મળે છે. આજે વિકસાવાઈ રહેલા નવા પ્રકારના ન્યુક્લિયર રિએક્ટર્સમાં વિવિધ સામગ્રીઓ ઉષ્ણતાને કેટલી સારી રીતે સંભાળે છે તેની તપાસ કરતા વિવિધ પ્રયોગો દ્વારા આની પુષ્ટિ થઈ છે.
આજના પરમાણુ સંયંત્રો ન્યૂટ્રોનને શોષી લેતા બોરોન કાર્બાઇડ જેવી વસ્તુઓ સાથે મિશ્રિત સિરામિક ઈંટોનો ઉપયોગ કરવાનું શરૂ કરી રહ્યા છે. આ નવી સામગ્રી જૂની વિકલ્પોની તુલનાએ ગામા કિરણોના ભેદ્યતાને લગભગ 62 ટકાના દરે ઘટાડે છે, જ્યારે તેમની માળખાની લચીલાશ જાળવી રાખે છે. યુરોપિયન પ્રેશરાઇઝ્ડ વોટર રિએક્ટરોમાંથી મળતા વાસ્તવિક ડેટાનું અવલોકન કરવાથી પણ એક રસપ્રદ બાબત જણાઈ આવે છે. દસ વર્ષના ગાળામાં સામાન્ય કાંક્રીટ બેરિયર્સની તુલનાએ સિરામિક શિલ્ડિંગને ખરેખર ત્રણ ચોથાઈ ઓછી જાળવણીની જરૂરિયાત હોય છે. સંશોધકો હાલ ગ્રેડેડ ઘનતા ડિઝાઇન દ્વારા આ સામગ્રીને વધુ સુધારવા પર કામ કરી રહ્યા છે. આનાથી તાપમાનમાં અચાનક ફેરફાર થતા હોય તેવી નવીનતમ રિએક્ટર ડિઝાઇન માટે તાપમાનના આઘાત સામે તેમની સ્થિતિ વધુ સારી રહે છે.
સામગ્રી વિજ્ઞાન અને ઉત્પાદન ટેકનોલોજી બંનેમાં થયેલા સુધારાને કારણે આધુનિક પરમાણુ સિરામિક ઇંટોને ફાયદો થાય છે. જ્યારે પારંપારિક સિન્ટરિંગ મૂળભૂત રહે છે, ત્યારે એડિટિવ મેન્યુફેક્ચરિંગ (AM) અત્યાર સુધી અસંભવ ગણાતી જટિલ ભૂમિતિને શક્ય બનાવે છે. 2024 ના અભ્યાસમાં બતાવવામાં આવ્યું છે કે AM દ્વારા ઉત્પાદિત સિરામિક્સ 98.5% ઘનતા પ્રાપ્ત કરે છે અને તેમાં રેડિયેશન સહનશીલતામાં સુધારો થયો છે, જેના કારણે કાસ્ટ સમકક્ષોની સરખામણીએ 18% ઓછુ ન્યુટ્રોન લીકેજ થાય છે.
ઉચ્ચ કાર્યક્ષમતા ધરાવતા એપ્લિકેશન્સમાં જરૂરી અતિ ઘનિષ્ઠ ઝિર્કોનિયમ કાર્બાઇડ ઈંટો બનાવવા માટે ગેસ પ્રેશર સિન્ટરિંગ હજુ પણ એક વિશ્વસનીય પદ્ધતિ છે. પરંતુ આજકાલ ઉમેરણ ઉત્પાદન (એડિટિવ મેન્યુફેક્ચરિંગ) પરિસ્થિતિ બદલી રહ્યું છે. બાઇન્ડર જેટિંગ અને સ્ટિરિયોલિથોગ્રાફી જેવી તકનીકો એવા આકર્ષક, કાર્યાત્મક રીતે ગ્રેડેડ શિલ્ડિંગ ઘટકો બનાવવાની તક આપે છે જે પરંપરાગત પદ્ધતિઓથી બનાવવા મુશ્કેલ છે. આંકડાઓ પણ ખૂબ સારા છે. આપણે 30 થી 40 ટકા સુધી મટિરિયલ વેસ્ટ ઘટાડવાની વાત કરી રહ્યા છીએ, જે મોંઘા મટિરિયલ સાથે કામ કરતી વખતે મોટો ફાયદો છે. અને પરિમાણોની ચોકસાઈ? મટિરિયલ્સ રિસર્ચ જર્નલમાં તાજેતરમાં પ્રકાશિત અભ્યાસો મુજબ આશરે 50 માઇક્રોમીટર છે. તેથી સમજી શકાય છે કે આ નવી પદ્ધતિઓ તરફ કેટલાય ઉત્પાદકોનું ધ્યાન કેમ આકર્ષિત થઈ રહ્યું છે.
પ્રગતિ છતાં, વ્યાપક અપનાવ માટે અવરોધો હજુ પણ છે:
એલ્યુમિના-સિલિકોન કાર્બાઇડ નેનોકોમ્પોઝિટ 2 MeV પર મોનોલિથિક સેરામિક્સની તુલનાએ ગામા રે એટન્યુએશનમાં 22% સુધારો દર્શાવે છે. 3 wt% બોરોન નાઇટ્રાઇડ નેનોટ્યુબ ઉમેરવાથી થર્મલ વાહકતાને 25 W/mK કરતાં વધુ જાળવી રાખીને ન્યુટ્રોન કેપ્ચર ક્રોસ-સેક્શનમાં 40% નો વધારો થાય છે—જે તેમને મલ્ટિફંક્શનલ શિલ્ડિંગ ઘટકો માટે આશાજનક ઉમેદવાર બનાવે છે.
ઇપોક્સી-બોરોન કાર્બાઇડ કોમ્પોઝિટ જેવા પોલિમર-સેરામિક હાઇબ્રિડ્સ સીસાની શિલ્ડિંગ અસરકારકતાના 80% મેળવે છે અને તેનું વજન 30% ઓછુ હોય છે. તેમ છતાં, 250°C ની તેમની થર્મલ મર્યાદાને કારણે તેમનો ઉપયોગ રિએક્ટર કોર કરતાં સહાયક સિસ્ટમ્સ માટે મર્યાદિત રહે છે, જ્યાં ઊંચા તાપમાન પ્રતિકારની આવશ્યકતા હોય છે.
પરમાણુ એપ્લિકેશન્સમાં ઉપયોગમાં લેવાતા સેરામિક ભાગોએ કડક વૈશ્વિક સલામતી જરૂરિયાતોને પૂર્ણ કરવી જોઈએ. આંતરરાષ્ટ્રીય પરમાણુ ઊર્જા એજન્સીની SSG-37 માર્ગદર્શિકાઓ અનુસાર, શિલ્ડિંગ સામગ્રી 100 મિલિયન ગ્રે એકમથી વધુના રેડિયેશન ડોઝને સહન કરવા માટે સક્ષમ હોવી જોઈએ, તે પહેલાં કોઈપણ પ્રકારની માળખાગત ક્ષતિનાં ચિહ્નો દર્શાવે. ASME BPVC-III ધોરણો અને ISO 17872:2020 સ્પેસિફિકેશન્સ બંનેને પૂર્ણ કરવાથી ખાતરી થાય છે કે આ સામગ્રી દબાણવાળા પાણીના રિએક્ટરોમાં ઓછામાં ઓછા 85 ટકા કાર્યક્ષમતા સાથે ન્યુટ્રોન્સનું શોષણ કરી શકે છે. ઉદ્યોગના નિષ્ણાતોએ તાજેતરમાં તેમની તકનીકી ભલામણોમાં નવી પેઢીના III+ સંયંત્રોના સેરામિક ઘટકોમાં નાના ફાટાઓ માટે ચાલુ મોનિટરિંગનો સમાવેશ કર્યો છે. આ પૂર્વદર્શી અભિગમથી આજના સમયમાં હજુ પણ કાર્યરત જૂની શિલ્ડિંગ સિસ્ટમો સાથે સરખામણી કરતાં સંભાવિત નિષ્ફળતાઓમાં લગભગ 40 થી 45 ટકાનો ઘટાડો થયો હોવાનું જણાયું છે.
આધુનિક પરમાણુ સંયંત્રો સામાન્ય રીતે મેગ્નેટાઇટ (Fe3O4) અથવા સર્પેન્ટાઇન સામગ્રીનો સમાવેશ કરતા ભારે કાંકરી સાથે સેરામિક ઇંટોનું મિશ્રણ કરીને સ્તરીકૃત ત્રિજ્યાત્મક અવરોધો બનાવે છે. ફક્ત સેરામિક દિવાલોનો ઉપયોગ કરવાની સરખામણીએ આ મિશ્રણ વધુ સારું કામ કરે છે, જે ગામા કિરણોને લગભગ 22% જેટલા ઘટાડે છે. પરંતુ એક મુશ્કેલ સમસ્યા એ છે - ગરમ થતાં સેરામિક્સ અને કાંકરીનું પ્રસરણ અલગ અલગ હોય છે. સેરામિક્સનો વિસ્તરણ દર લગભગ 5.8 માઇક્રોમીટર પ્રતિ મીટર પ્રતિ ડિગ્રી સેલ્સિયસ હોય છે, જ્યારે કાંકરીનું પ્રસરણ વધુ હોય છે. તેથી એન્જિનિયરો તેમની વચ્ચે ખાસ ગ્રેડેડ ઝિર્કોનિયા સ્તરો દાખલ કરે છે. આ મધ્યવર્તી સ્તરો સામાન્ય ઓપરેશન દરમિયાન તાપમાન 650 ડિગ્રી સેલ્સિયસ સુધી પહોંચે તો પણ આખી રચનાની સ્થિરતા જાળવવામાં મદદ કરે છે.
EN
