A nukleáris erőművekben használt kerámiatéglák kritikus tartályozást biztosítanak, köszönhetően kiváló képességüknek a sugárzás ellenállására és stabilitásuknak még emelkedő hőmérséklet mellett is. Ezek a téglák cirkóniumkarbidból készülnek szilíciumkarbid megerősítéssel, olyan anyagot létrehozva, amely eléri a sűrűség elméletileg lehetséges értékének körülbelül 98%-át. Ez a szoros tömörítés minimális réseket hagy, ahonnan a sugárzás távozhatna. Amikor kb. 1000 °C-os hőmérsékleten neutronbombázás éri őket, a térfogatuk kevesebb, mint fél százalékkal növekszik. Ez lényegesen jobb, mint az átlagos beton teljesítménye, amely idővel torzulni és repedezni szokott. Az erőművek üzemeltetői számára, akik a biztonsági tartalékok évtizedekig tartó fenntartásában gondolkodnak, ilyen szerkezeti állandóság jelentheti az egész különbséget.
Nyomástartós vízreaktorokban (PWR) a kerámiatéglák három kulcsfontosságú szerepet töltenek be extrém üzemviteli terhelés alatt:
Ezeket a funkciókat az anyag képessége teszi lehetővé, hogy 1200 °C-on is megtartsa 200 MPa feletti szakószilárdságát – egy olyan határértéket, amely túlmutat a legtöbb acélötvözet képességein.
A nukleáris alkalmazásokra tervezett kerámiák bor-10 izotópokat tartalmaznak, amelyek hatékonyan elnyelik a hőneutronokat, mivel rendkívül nagy befogási keresztmetszetük van, körülbelül 3837 barn. Ezek a kerámiák volfrám-részecskéket is tartalmaznak, amelyek segítenek blokkolni a gamma-sugarakat az ún. fotoelektromos effektuson keresztül, amikor az energiaszintek 3 MeV alatt vannak. A tavaly megjelent kutatások szerint a körülbelül 30 centiméter vastag ilyen kerámiatéglákból épített falak majdnem 92 százalékkal képesek csökkenteni a gyorsneutron-fluxust. Ez valójában jobb, mint a ólom-borát üvegből készült hasonló falak teljesítménye, amelyek csak körülbelül 78 százalékos csökkentést érnek el. Az a tény, hogy ezek a téglák mindkét típusú sugárzást kiválóan kezelik, egyre fontosabbá teszi őket a közeljövőben üzembe helyezendő új reaktortervekben kisebb, ugyanakkor igen hatékony sugárvédelmi megoldások építésénél.
Az új szinterelési módszerek a szemcsahatár-mérnöki eljárásokkal kombinálva a nukleáris fokozatú kerámiák szakítószilárdságát már meghaladták a 600 MPa-es értéket. Amikor szilícium-karbid és cirkónium-diborid keverékekről van szó, ezek kb. 40–60 százalékkal jobb törésállóságot mutatnak a hagyományosan használt alumínium-oxid anyagokhoz képest. Ezeket a kerámiákat különösen az emeli ki, hogy alakjukat megtartják akkor is, amikor neutronbombázás éri őket akár 15 atomonkénti eltolódásig. Ez a stabilitás különösen fontos olyan reaktorkomponensek esetében, amelyeknek több évtizedes folyamatos sugárzásnak való kitettség mellett is működőképeseknek kell maradniuk olyan erőművekben, amelyek több mint negyven évig üzemelnek folyamatosan.
Az ultra magas hőmérsékletű kerámiák (UHTC-k) akkor is kibírják a reaktorkörülményeket, amikor azok több mint 2000 °C-os hőmérsékletet érnek el, mivel felületükön védő oxideréteget képeznek, rendkívül alacsony hőtágulási együtthatóval rendelkeznek, körülbelül 4,5-ször 10 a mínusz hatodikon per Kelvin, és megőrzik szerkezeti integritásukat annak ellenére, hogy kristályrácsuk hibákkal terhelt. Ami konkrétan a hafniumkarbidot illeti, ezek az anyagok csupán 2 százalékos térfogatváltozáson mennek keresztül, miután 500 fűtési és hűtési cikluson estek át 300-ról 1800 °C-ra. Ez laboratóriumi gyorsöregítési tesztek során körülbelül nyolcszor nagyobb tartósságot jelent a hagyományos grafithez képest.
Az alábbi táblázat a neutronelnyelési teljesítményt hasonlítja össze közös kerámiák esetén:
| Anyag | Neutronelnyelés (MeV tartomány) | Gamma-sugárzás blokkolása | Üzemeltetési élettartam |
|---|---|---|---|
| Boronkarbid | 0,025–14 (termikus–gyors) | Mérsékelt | 15–20 év |
| Hafnium-diborid | 0,1–10 (epitermikus–gyors) | Magas | 25+ ÉV |
| Volfrámkarbid | 1–14 (gyors neutronok) | Szélső | 12–15 év |
A hozzáadó gyártásban elért legújabb fejlesztések lehetővé teszik a réteges árnyékolási architektúrák alkalmazását, amelyek kombinálják ezeknek az anyagoknak az előnyeit, miközben 22–35%-kal csökkentik az alkatrészek tömegét a monolitikus tervekhez képest. Ez az innováció közvetlenül megoldja a Generation III+ reaktorprototípusoknál megfigyelt tartóssági kihívásokat, így biztosítva a hosszú távú biztonságot és teljesítményt.
18 nyomásos vízreaktor egységen végzett tesztek azt mutatják, hogy ezek a speciális nukleáris kerámia téglák körülbelül 98%-át megtartják eredeti szilárdságuknak, még akkor is, ha öt egymást követő évig intenzív neutronsugárzás hatása alatt állnak. Amikor kb. 650 °C-os extrém hőmérsékletváltozásoknak vetik őket alá, lenyűgöző 12 000 órát bírnak ki repedések kialakulása nélkül, ami valójában 15%-kal jobb, mint amit az Nemzetközi Atomenergia-ügynökség hosszú távú tartósságra vonatkozóan elfogadhatónak tekint. Ezeknek a tégláknak a gyártási módja körülbelül 40%-kal nagyobb védelmet biztosít a sugárzáskárok ellen, mint a jelenleg erőművekben használt hagyományos árnyékoló anyagok. Ezt különféle kísérletek igazolták, amelyek különböző anyagok hőterhelhetőségét vizsgálták a ma fejlesztés alatt álló új típusú nukleáris reaktorokban.
A mai nukleáris erőművek elkezdték használni a bórkarbidot és más anyagokat tartalmazó kerámia téglákat, amelyek elnyelik a neutronokat. Ezek az új anyagok körülbelül 62 százalékkal csökkentik a gamma-sugárzás behatolását a régebbi megoldásokhoz képest, miközben megtartják szerkezeti rugalmasságukat. Az európai nyomottvizes reaktorok valós adatok elemzése érdekes dolgot mutat. A kerámiabeton védőburkolat körülbelül negyedannyi karbantartást igényel, mint a hagyományos betonakadályok egy tízéves időszak alatt. A kutatók jelenleg fokozott sűrűségű tervezésen dolgoznak, hogy tovább fejlesszék ezeket az anyagokat. Ez segít nekik jobban ellenállni a hőterhelésnek, ami különösen fontos az újabb reaktorterveknél, amelyek üzem közben hirtelen hőmérsékletváltozásoknak vannak kitéve.
A modern magfúziós kerámiatéglák előnyöket élveznek az anyagtudomány és a gyártástechnológia terén elért áttöréseknek köszönhetően. Habár a hagyományos sinterelés továbbra is alapvető fontosságú, az additív gyártás (AM) lehetővé teszi korábban elérhetetlen komplex geometriák kialakítását. Egy 2024-es tanulmány kimutatta, hogy az additív gyártással készült kerámiák 98,5%-os sűrűséget érnek el, javított sugárzási toleranciával, amely 18%-kal csökkenti a neutronszivárgást a öntött megfelelőikhez képest.
A gáznyomásos szinterezés továbbra is az egyik legelterjedtebb módszer a nagy teljesítményű alkalmazásokhoz szükséges szupersűrű cirkónium-karbid téglák előállítására. Az additív gyártás azonban manapság gyökeresen megváltoztatja a dolgokat. Az olyan technikák, mint a kötőanyag-szórás és a sztereolitográfia, megnyitják az utat olyan mutatós, funkcionálisan osztályozott árnyékoló alkatrészek létrehozása előtt, amelyeket a hagyományos módszerek egyszerűen nem tudnak kezelni. A számok is elég jók. Az anyagveszteség 30-40 százalékos csökkentéséről beszélünk, ami nagy dolog, ha drága anyagokról van szó. És a méretpontosság? Körülbelül 50 mikrométer, a Journal of Materials Research című folyóiratban nemrégiben megjelent tanulmányok szerint. Érthető, hogy miért kezd annyi gyártó felfigyelni ezekre az új megközelítésekre.
Eltérő fejlődés ellenére a széleskörű elterjedést akadályok nehezítik:
Az alumina-szilíciumkarbid nanokompozitok 22%-os javulást mutatnak a gamma-sugárzás csillapításában 2 MeV-nél monolitikus kerámiákhoz képest. A 3 súlyszázalék boronnitrid nanocső beiktatása 40%-kal növeli a neutronbefogási hatáskeresztmetszetet anélkül, hogy romlana a hővezetőképesség, amely továbbra is 25 W/mK felett marad – ezáltal ígéretes jelöltek multifunkcionális védőalkatrészekhez
Polimer-kerámiabetétes hibrid anyagok, például epoxi-borkarbid kompozitok, a ólomhoz viszonyítva 80% sugárzásgátló hatékonyságot érnek el 30%-kal alacsonyabb súllyal. Alkalmazásukat azonban a 250 °C-os hőmérsékleti határ korlátozza, így reaktormagok helyett csak segédrendszerekben használhatók, ahol alacsonyabb hőállóság elegendő
A nukleáris alkalmazásokban használt kerámia alkatrészeknek meg kell felelniük a szigorú globális biztonsági előírásoknak. Az Internacionális Atomenergia-ügynökség SSG-37 irányelvei szerint a védőanyagoknak legalább 100 millió Gray egységnyi sugárzási dózist el kell bírniuk anélkül, hogy szerkezeti károsodás jelei mutatkoznának. Az ASME BPVC-III szabványoknak és az ISO 17872:2020 előírásoknak való megfelelés biztosítja, hogy ezek az anyagok legalább 85 százalékos hatékonysággal nyeljék el a neutronokat a nyomás alatt álló vízzel hűtött reaktorokban. A szakértők nemrégiben frissítették műszaki ajánlásaikat, hogy magukban foglalják a generációs III+ erőművek újabb kerámiakomponenseinek apró repedéseinek folyamatos figyelését. Ez a proaktív megközelítés körülbelül 40–45 százalékkal csökkentheti a lehetséges meghibásodásokat a jelenleg még üzemelő régebbi védőrendszerekhez képest.
A modern atomerőművek általában kerámia téglákat kombinálnak nehézbetonnal, amely magnetitot (Fe3O4) vagy szerpentint tartalmaz, hogy rétegzett sugárzásgátló rendszert hozzanak létre. Ez a kombináció hatékonyabb, mint a kizárólag kerámia falak használata, és körülbelül 22%-kal csökkenti a gamma-sugárzást. Van azonban egy nehézség: a kerámiák és a beton különböző mértékben bővülnek melegedéskor. A kerámiák kb. 5,8 mikrométerrel növekednek méterenként Celsius-fokonként, míg a beton még jobban tágul. Ezért az építészek speciális, fokozatosan átmenő cirkónia rétegeket helyeznek el közöttük. Ezek a köztes rétegek segítenek fenntartani a teljes szerkezet stabilitását akkor is, amikor a hőmérséklet normál üzem során akár 650 °C-ra is emelkedik.
EN
