טכנולוגיית דלק TRISO מהווה את הבסיס לכדוריות keramika המשמשות ביישומים גרעיניים. החלקיקים הקטנים מודדים רק מספר מילימטרים בקוטר אך מכילים דלק אורניום עטוף במספר שכבות מגן עשויות סיליקון קרביד ופחמן. זה יוצר משהו כמו מערכת כיבוי מיניאטורית שמונעת חומרים רדיואקטיביים מלברוח, גם כאשר הם נתונים להשפעת טמפרטורות גבוהות במיוחד porashot 1800 מעלות צלזיוס. מבחנים שבוצעו על ידי ארגוני בטיחות גרעינית מובילים מצביעים על כך שחלקיקי ה-TRISO שומרים על כ-99.99 אחוז מהפסולת הרדיואקטיבית בתוך הגבולות בתנאים קיצוניים. זה הופך אותם לחשובים במיוחד להבטחת תפעול בטיחותי במתקנים המודרניים, ונותן למהנדסים שלווה נפשית בנוגע לאפשרות של דליפות או תקלות.
היעילות של שילוח קרמיקה נובעת מהמבנה השכבותי של החומר, המשלב עיכוב ניוטרונים, ספיגת ניוטרונים והשהיית קרינה גמא:
| חומר השכבה | פונקציה | סף עמידות tegen קרינה |
|---|---|---|
| סיליקון קרביד (SiC) | מחסום מבני עיקרי ומאט ניוטרונים | עד 1,800°C |
| בורי-קרبيد (B₄C) | בליעת ניוטרונים | 800°C מתמשך |
| טונגסטן משוחלל | הթזות קרינת גاما | >300 keV אנרגיית פוטון |
חומר קרמיקה בעל צפיפות גבוהה, כגון תערובות טונגסטן-ביסמוט, מפחית את חדירת קרינה גמא ב-80% בהשוואה לסייג סטנדרטי מפלדה, לפי מחקרים משנת 2023. העיצוב הרב-תכליתי מאפשר פיזור חום יעיל תוך כדי שמספק הגנה חזקה הן מפני קרינת ניוטרונים והן מפני קרינת גמא.
במעבדת איידהו הלאומית, חוקרים בדקו את כישורי הכדורים keramikיים המבוססים על TRISO בתנאי 정כ"ל מודלים. הבדיקות דחפו את הטמפרטורות מעבר ל-3,000° פרנהייט (1,650° צלזיוס) במשך יותר מ-400 שעות רצופות, הרבה מעבר למה שמאיצים חווים בדרך כלל. מה שנחשב יוצא דופן הוא שההשתקפות קרינת גמא נשארה עמידה מעל 97% לאורך כל התהליך. תוצאה זו תואמת היטב לנתוני הסוכנות הבינלאומית לאנרגיה אטומית שמציינים שדלק עם שילוח keramiki יכול לצמצם את שחרור החומרים הרדיואקטיביים במהלך תאונות בכ-90% בהשוואה למוטות דלק מסורתיים של חומר חמצן אורניום. היבט מעניין נוסף הוא שככל שהkeramika נפגעת יותר על ידי קרינה, היא נעשית קשה יותר, מה שעושה אותה עמידה בהרבה בפני התכה גם אם מערכות הקירור נכשלות לחלוטין.
סיליקון קרביד (SiC) יחד עם גרפיט ממלאים תפקיד חשוב בהחזקת כדורי קרמיקה יציבים מבחינה תרמית ורדיולוגית. רכיב ה-SiC נשאר חזק גם כאשר הטמפרטורות עולות על 1600 מעלות צלזיוס, והוא לא מתפרק בקלות כשנחשף לשטף ניוטרונים העולה על 10^21 ניוטרונים לסנטימטר רבוע. משמעות הדבר היא שחומרים אלו יכולים לשרוד זמן רב בהרבה בתנאים קיצוניים. הגרפיט עוזר גם הוא, על ידי ספיגת הניוטרונים המהמירים תוך שהוא מעביר את החום בצורה יעילה הודות לתכונות העברה כיוונית של חום. ללא שילוב זה, היינו רואים היווצרות של נקודות חמות מסוכנות בתוך ליבות ריאקטורים, מה שיכול להוביל לבעיות חמורות בהמשך הדרך.
כשחומרי קרמיקה טעונים בורון-10, הם יכולים ללכוד כ-94% מהנייטרונים התרמיים המטרידים באמצעות תהליך התגובה הידוע כ-10B(n,α)7Li. כשמדובר בבלימת קרני גמא, חומרים עם מספר אטומי גבוה מתאימים ביותר. טונגסטן וביסמוט מגלים יתרון מיוחד כאן, שכן הם מצטיינים בלכידת הפוטונים האנרגטיים האלה דרך תופעה הנקראת אפקט פוטואלקטרי. שילוב של חומר מרוכב בגובה 3 ס"מ בלבד, שעשוי מקربיד הבורון בתוספת טונגסטן, מוריד את עוצמת הקרינה הגמאית כמעט לאפס – ירידה של כ-99.8%. הגנה מסוג זה מפני קרינת נייטרונים וקרני גמא אוששה באמצעות מבחנים, כולל ממצאים אחרונים שפורסמו על ידי הסוכנות הבינלאומית לאנרגיה אטומית בשנת 2023.
חומרים הידועים כלחות קרמיקה מסוג MAX, הכוללים תרכובות כמו Ti3SiC2 ו-Cr2AlC, משלבים את היתרונות של מתכות וכלי חרס. חומרים אלו מציגים עמידות יוצאת דופן בפני שבר, עם ביצועים טובים בכ-שלוש פעמים בהשוואה לפחמן סיליקון רגיל. מה שעושה אותם מעניינים אף יותר הוא היכולת שלהם לModerate ניוטרונים בצורה יעילה. מחקרים שנערכו על ידי חוקרים במעבדת אורן-רידג' הראו גם משהו מרשים במיוחד: כאשר מתמודדים עם מצבים שבהם אובד המקרר, חומרים אלו עומדים בדרגות חום של עד 800 מעלות צלזיוס למשך שלושה ימים מלאים ברציפות. עמידות כזו עוררה את תשומת לבם של מדענים העוסקים בפיתוח דורי הדור הבא של כורים גרעיניים, במיוחד אלה הכוללים מלחות נוזליות ומושגי עיצוב מתקדמים אחרים.
גבולות גבישים ננו-מהודרים בערמות קרמיקה מדוכאים את היווצרות בועות הליום – סיבה נפוצה להתנפח עקב קרינה. מבחני זיקנה מאיצים מראים פחות משינוי נפח של 0.2% לאחר חשיפה השווה ערך ל-40 שנות ריאקטור. טווח נקבוביות מכוון של 8–12% מאפשר קליטה של התפשטות תרמית ללא פגיעה בצפיפות או בביצועי החסימה, ומבטיח אמינות ארוכת טווח.
לחלקיקים של TRISO יש עיצוב קרמיקה מיוחד בן ארבע שכבות שמונע דליפה בצורה מעולה. יש שכבת חיץ פורית של פחמן סביב הליבון של אורניום, שמאפשרת לספוג את כל המלחיצות המכניות והתרמיות שיכולות אחרת לגרום לבעיות. כשמסתכלים על שכבת הקרبيد הסיליקון, זו בעצם מערכת ההגנה העיקרית כאן. מה שקורה הוא שהחומרים הרדיואקטיביים נשארים במקומם עם יעילות של יותר מ-99.9 אחוז גם כאשר הטמפרטורות מגיעות לכ-1600 מעלות צלזיוס. לאחר מכן מגיעות השכבות הפירוליטיות הפנימיות והחיצוניות של פחמן. יש להן שתי תפקידי עיקריים. ראשית, הן מספקות תמיכה מבנית, ושנית, הן מונעות תגובות כימיות לא רצויות בין ליבון האורניום לשכבת הקרبيد הסיליקון. הקבוצה כולה מבטיחה שהחלקיק ישמר על שלמותו גם כשיש שינויי טמפרטורה מהירים ומשוחזרים.
בדיקת האצה מסמלצת עשרות שנים של חשיפה לנייטרונים בתוך שבועות. לאחר 10,000 שעות בתנאי שטף גבוה (10¹n/cm²), שכבת ה-TRISO שומרת על יותר מ-98% מכוחה המקורי. שכבת ה-SiC נשארת כמעט בלתי חדירה, עם נקבוביות מתחת ל-0.01% לאחר חשיפה לקרינה גמא בשיעור העולה על 200 MGy—מה שמניע באופן יעיל את היווצרות סדקים מיקרוסקופיים שעלולים לגרום לשחרור חומרים.
ממדים מדויקים של השכבות מאוזנים בין כלאיש קרינה לבין ניהול תרמי:
| שכבה | עובי (מיקרומטר) | פונקציה رئيسית |
|---|---|---|
| בופר פחמן פרוורי | 50–100 | סופג מתח תרמי |
| פחמן פירוליטי פנימי | 20–40 | מונע תגובות בין הגרעין לשכבת SiC |
| קרביד סיליקון | 30–50 | חוסם תוצרים של ביקוע |
| פחמן פירוליטי חיצוני | 40–60 | מתנגד לפירוק מכני |
סימולציות מראות כי הגדלת שכבת ה-SiC מ-25 מיקרומטר ל-35 מיקרומטר משפרת את חסימת הנייטרונים ב-60%, ובכך מקטינה משמעותית את הסיכון לتسורת קרינה.
יצרנים עוקבים כעת אחר תקני ISO 21439:2023 כדי להשיג סיבולת ממדית צפופה (<0.5% שונות). מערכות מקצף אוטומטיות מספקות תשואה של 95% בייצור, ותומכות בפלט שנתי של יותר מ-10 מיליון גרעינים דלק לכל טעינת ריאקטור—שיפור של 300% מאז שנת 2020. היכולת להקטין או להרחיב את הייצור מבטיחה איכות עקיבה לצורך השמה במתקני כור רעפים וכור מלח מותך ברחבי העולם.
בורון קרביד (B4C) ממלא תפקיד מרכזי בפיזור ניוטרונים כי יש לו חתך פיצול גבוה במיוחד איזוטופים של 10B, כ-3,840 ברן בדיוק. כאשר חוקרים בדקו כדורים קרמיים שמכילים כ-15% בורון קרביד, הם ראו ירידה מרשים בשטף הניוטרונים של כמעט 92%. האתגר האמיתי מתעורר כשיש DEALING עם רמות אנרגיה שונות. מסיבה זו חומרים מודרניים לרוב ערבוב תחמוצת גאדוליניום (Gd2O3) במיוחד עבור ניוטרונים אפיתרמליים בעייתיים אלה, בעוד הוספת דיבורייד ההפניום (HfB2) מטפלת טוב יותר באלה המהירים. צירופים אלו מצליחים בדרך כלל בדירוגי השקה בין 8 ל-12 ס"מ הפוך באנרגיות סביב 2 MeV, מה שהופך אותם לגמישים בהרבה מאשר פתרונות ישנים.
| חומר | טווח אנרגיית ניוטרונים | יעילות ספיגה (ס"מ⁻¹) |
|---|---|---|
| בורון-קרبيد | תרמי (<0.025 eV) | 10.2 |
| תחמוצת גאדוליניום | אפיתרמלי (1–100 eV) | 7.8 |
| דיבוריד ההפאניום | מהיר (>1 MeV) | 3.4 |
לצורך הגנה מפני קרינה גמא, יצרנים לרוב פונים לחומרים כבדים כמו קרביד טונגסטן או תלת-חומר עופרת. קחו לדוגמה שיל드 קרמיקה בעובי כ-10 מ"מ ומכיל כ-30 אחוז קרביד טונגסטן. הקבוצה הזו מקטינה את קרני הגמא בכ-85 אחוז באנרגיות של כ-1.33 MeV. ביצועים מסוג זה זהים לאלו של שilded עופרת מסורתיים, אך ללא סיכוני הבריאות הקשורים לגילוי לעופרת. כשנוגע באפשרויות מבוססות ביסמוט, היכולת שלהן לחסום קרינה נמדדת בין 0.12 ל-0.18 סמ"ר לגרם. תכונות אלו הופכות את הקרמיקה על בסיס ביסמוט לבחירה טובה במיוחד במקרים שבהם יש חשיבות למרחב וכim כך גם לה cumplment עם תקני בטיחות.
עיצובים משולבים המשלבים B₄C, WC ו-SiC יוצרים חסמים רב-תכליתיים. לדוגמה, מבנה טריפלקס (B₄C/WC/SiC) מגיע לספיגת ניוטרונים של יותר מ-99% וכ-80% דämping של קרינת גמא בטמפרטורות עבודה של עד 1,600°C, ומספק הגנה מקיפה בתוך מערכת אחת.
אינקפסולציה קרמית מבטיחה שпродוקטים של ביקוע, כגון צזיום-137, ישארו כלואים גם במהלך תרחישים של תאונה. השכבה של SiC בחלקיקים מסוג TRISO שומרת על 99.996% מהרדיאונוקלידים בטמפרטורה של 1,800°C, כפי שאושר במבחני 스טרס של ה-IAEA בשנת 2023. כליאה פסיבית זו מסירה את התלות בתקרור חיצוני או התערבות אנושית, ומשפרת קיצונית את עמידות הריאקטור.
ה-HTGR פועלים בטמפרטורות גבוהות ביותר, לעתים קרובות מעל 1,600 מעלות צלזיוס, אך הכדורים הסרמיים המשמשים שם נשארים שלמים בגלל עיצוב חלקיקי TRISO המיוחד שלהם. מה שהופך את החומרים האלה כה אמינים הוא קליפת הקרביד הסיליקון שיכול להתמודד עם טמפרטורות מעל 3,000 מעלות פרנשייט מבלי להתפרק. זה אומר שהמתקן יכול להתקרר בעצמו באופן טבעי גם כאשר אף אחד לא צופה או במהלך הפסקות חשמל. מחקר של ארגונים כמו האו"ם הצביע על יתרון בטיחותי זה, מראה כיצד הכורים האלה יכולים למעשה לשרוד תקופות ארוכות ללא חשמל. כאשר מהנדסים מפעילים סימולציות של תרחישים גרועים ביותר, הם מוצאים משהו מדהים גם כן: דלקים קרמיים מונעים חומרים רדיואקטיביים לברוח כ-98 אחוזים יותר טוב מאשר מוטות דלק רגילות עושים במצבים דומים. ביצועים כאלה נותנים למפעלי תחנות שלווה נפשית בידיעה שהמתקנים שלהם הרבה יותר בטוחים מפני תאונות.
כדורי אוקסיד אורניום מסורתיים תלויים בקלדינג שיכול לשבור תחת לחץ, בעוד שكرביים עוטפים את חומר הדלק בתוך כמה שכבות מגן שמתגנות בפני נזק מרדיוקטיביות. מבחנים במעבדת אור קרייג' לאומית תומכים בכך, ומציגים שעיצובים חדשים אלו מקטינים דליפות מסוכנות מתגובות גרעיניות בכ-90% בהשוואה לשיטות ישנות יותר. יתרון נוסף גדול לטכנולוגיה קרמית הוא האופן שבו היא מתנהגת עם מים. dado שקרמיקה אינה מתאימה בצורה כה חזקה עם מים, יש סיכוי הרבה פחות ליצור גז מימן מתפוצץ אם קורה משהו לא תקין בתגובה של ריאקטור. זה הופך אותם לבטוחים בהרבה מהעיצובים הקונבנציונליים של ריאקטורים במים קלים שבהם הצטברות מימן שכזו הייתה בעיה מרכזית.
יותר מחמש עשרה מדינות, כולל ארצות הברית, סין וצרפת, החלו בפיתוח מערכות דלק קרמיות לדור הבא של טכנולוגיית ריאקטורים. לפי נתונים מהאיגוד הגרעיני העולמי שפורסמו בשנה שעברה, ריאקטורים שמונעים על ידי גזים בטמפרטורה גבוהה המשתמשים בכדורי קרמיקה עשויים להוות כ-12 אחוז מכוח הגנרטציה הגרעיני העולמי עד אמצע שנות ה-2030. מאמצי התקניון שבמהלך פיתוח מקווים לצמצם את עלויות ייצור ה-TRISO כמעט בחצי במהלך השנים הקרובות. צמצום העלות הזה יאפשר גישה קלה יותר לדלקים המתקדמים הללו לצורך השקה בבוארים מודולריים קטנים ואפילו בעיצובי מיקרוריאקטורים קטנים עוד יותר, שעליהם עורכים ניסויים רבים מבין החברות כיום.
EN
