האבני חימר המשמשות בתחנות כוח גרעיניות מספקות אטימה חיונית הודות ליכולתן המרשימה לעמוד בקרינה ולשמור על יציבות גם כאשר הטמפרטורה עולתה. אבני החימר מיוצרות מקרביד זירקוניום עם הג reinforced של סיליקון קרביד, ויוצרות חומרים שמארזים כ-98% מכמה שיתכן תיאורטית מבחינת צפיפות. אריזה צפופה זו משאירה מעט מאוד רווחים שבהם קרינה יכולה לברוח. כשאבני החימר נחשפות לשיגעון ניוטרונים בטמפרטורה של כ-1000 מעלות צלזיוס, הן מתרחבות בפחות מחצי אחוז בנפחן. זהו שיפור משמעותי בהשוואה לבטון רגיל, שנוטה להתעוות ולסדק לאורך זמן. למפעילי תחנות שמודאגים מהוות הסafety שיישארו לאורך עשורים, עקביות מבנית מסוג זה יוצרת את ההבדל.
בreatctors מים ממוזרים (PWRs), לאבני חימר יש שלושה תפקידים מרכזיים בתנאי לחץ פעולה קיצוניים:
פונקציות אלו מתאפשרות הודות ליכולת החומר לשמור על חוזק מתיחה מעל 200 MPa ב-1200°C—סף שמעבר ליכולותיהם של רוב סגלי הפלדה.
קרמיקה שמתאימה לשימוש ביישומים גרעיניים כוללת איזוטופים של בורון-10 כדי לספוג ניוטרונים תרמיים בצורה יעילה, בזכות החתך הגדול לקליטה שלהם שעומד על כ-3837 ברן. חומר זה גם מכיל חלקיקי טונגסטן שעוזרים לחסום קרני גמא באמצעות אפקט הפוטואלקטרי, כאשר האנרגיות נמוכות מ-3 MeV. לפי מחקר שפורסם בשנה שעברה, קירות העשויים מלבני קרמיקה כאלה בגודל של כ-30 ס"מ יכולים להפחית את שטף הניוטרונים המהירים בכ-92 אחוז. זהו ביצוע טוב יותר בהשוואה לקירות דומים שעשויים זכוכית עמידה על בסיס חומר הבוראת-עופרת, שמצליחים להפחית רק בכ-78 אחוז. העובדה שהלבנים הללו מסוגלות להתמודד עם שני סוגי הקרינה בצורה כה טובה משמעותה שהן הופכות לחשובות יותר ויותר לבניית פתרונות שזירה קטנים יותר אך עדיין מאוד יעילים, עבור דורי ריאקטורים חדשים שעתידים להיכנס לשימוש בקרוב.
שיטות סינטור חדשות בשילוב עם הנדסת שולי גרגרים דחפו את חומרי keramika מדרגה גרעינית מעבר לסימן ה-600 MPa במבחני חוזק מתיחה. כשמדובר בתערובות של סיליקון קרביד וצירקוניום דיבוריד, הם מציגים התנגדות לשבירה טובה ב-40 עד 60 אחוז בהשוואה לחומרי אלומינה סטנדרטיים שנستخدمו מסורתית. מה שמייחד באמת חומרים אלו הוא היכולת לשמור על צורתם גם כאשר הם נחשפים לשיגורי ניוטרונים שיעלו עד 15 תזוזות לאטום. יציבות מסוג זה היא חשובה במיוחד לרכיבים של ריאקטור שצריכים לשרוד עשרות שנים של חשיפה רציפה לקרינה בתוך תחנות כוח שנועדו לפעול יותר מ-40 שנה רצופות.
חומרים הידועים בשם קרמיקה לטמפרטורות גבוהות במיוחד (UHTCs) יכולים לשרוד בתנאי ריאקטור שמגיעים למעל 2000 מעלות צלזיוס, בזכות ייצור שכבות חומצה מגנות על פני השטח שלהם, קצב ניפוח תרמי נמוך מאוד של כ-4.5 כפול 10 למינוס שישית לקלווין, ושימור של שלמות מבנית גם בנוכחות פגמים בגביש הסריג. בהתייחס לפחמן ההפאניום בפוקוס, חומרים אלו מציגים שינוי נפח של רק 2 אחוז לאחר מעבר של 500 מחזורי חימום וקירור בין טמפרטורות של 300 ל-1800 מעלות צלזיוס. זה הופך אותם לבערך שמונה פעמים עמידים יותר בהשוואה לגרפיט מסורתי כאשר נבדקים בתנאי זקנה מהירה בסביבת מעבדה.
הטבלה שלהלן משווה את ביצועי שילוט הנייטרונים בחומרים קרמיים נפוצים:
| חומר | הթנה של נייטרונים (טווח MeV) | חסימת קרני גמא | אורך חיים תפעולי |
|---|---|---|---|
| בורון קרביד | 0.025–14 (תרמי-מהיר) | לְמַתֵן | 15–20 שנים |
| דיבוריד ההפאניום | 0.1–10 (אפיתרמי-מהיר) | גבוה | 25+ שנים |
| טונגסטן קרביד | 1–14 (נייטרונים מהירים) | קיצוני | 12–15 שנים |
התקדמויות אחרונות בייצור מוסף מאפשרות מבנים של שילוט בשכבות המשלבות את היתרונות של חומרים אלו, תוך צמצום משקל הרכיבים ב-22–35% בהשוואה לעיצובים מונוליתיים. חדשנות זו פותרת ישירות את אתגרי העמידות שנצפו בדגמי דורות III+ של ריאקטורים, ומבטיחה בטיחות וביצועים לאורך זמן.
בדיקות שנערכו על 18 יחידות של כורי מים רווי לחץ מראות כי הלבנים הגרעיניות המיוחדות האלה שומרות על כ-98% מכוחן המקורי גם לאחר שהן עומדות תחת קרינה ניוטרונית חזקה במשך חמש שנים רצופות. כאשר הן עוברות שינויי טמפרטורה קיצוניים בטווח של unos 650 מעלות צלזיוס, הן עמידות למשך 12,000 שעות מרשים ללא היווצרות סדקים קטנים, מה שגבוה בפועל ב-15% מהתקנות המקובלות של הסוכנות הבינלאומית לאנרגיה אטומית מבחינת עמידות ארוכת טווח. הדרך שבה מיוצרים הלבנים מספקת להם הגנה של כ-40% יותר מפני נזק קרינה בהשוואה לחומרי שילוח רגילים הנמצאים בשימוש בתחנות כוח קיימות. עובדה זו אוששה באמצעות ניסויים שונים שמבחנים את ביצועי החומרים השונים בניסיון להתמודד עם חום בסוגי כורים גרעיניים חדשים שנמצאים בשלב הפיתוח כיום.
תחנות גרעיניות היום מתחילות להשתמש באבני חימר שמוזגים בהן חומרים כמו בורון קרביד שמופשר ניוטרונים. חומרים חדשים אלו מקטינים את חדירת קרני גמא ב-62 אחוז בערך בהשוואה לאפשרויות ישנות יותר, וכל זאת תוך שמירה על הגמישות המבנית שלהם. בחינת נתוני עולם אמיתי ממכשוררים אירופאיים של מים מחוממים תחת לחץ מציגה גם כן דבר מעניין. חומרי החסימה החימריים דורשים כשליש פחות בערך של עבודות תחזוקה בהשוואה לגדרות בטון רגיל כאשר מסתכלים על תקופה של עשר שנים. חוקרים עובדים כיום על שיפור נוסף של חומרים אלו באמצעות עיצובי צפיפות מדורגים. זה עוזר להם לעמוד טוב יותר בפני הלם תרמי, מה שחשוב במיוחד לעיצובי מחוללים חדשים שעוברים שינויי טמפרטורה פתאומיים במהלך הפעלה.
לבני keramika גרעיניים מודרניים נהנים ממיזמי דרך הן במדעי החומרים והן בטכנולוגיית ייצור. בעוד ששריפה מסורתית נשארת בסיסית, ייצור תוספות (AM) מאפשר גאומטריות מורכבות שלא ניתן היה להשיג בעבר. מחקר משנת 2024 מראה שкерמיקה המיוצרת באמצעות AM מגיעה לצפיפות של 98.5% עם סיבולת קרינה משופרת, ומצמצמת את הדליפת ניוטרונים ב-18% בהשוואה לחציבה.
שיזוף תחת לחץ גז נשאר שיטת הבחירה לייצור הלבנים הסופר-צפופות של קרביד זירקוניום הנדרשות ביישומים ביצועים גבוהים. אך ייצור תוספי משנה את הדברים בימים אלה. טכניקות כמו הדפסת דבק וסטריאוליתוגרפיה פותחות פתח ליצירת רכיבי שילוט מתקדמים עם מאפיינים מדורגים, שלא ניתנים לייצור בשיטות המסורתיות. גם המספרים נראים טובים למדי. אנחנו מדברים על הפחתת בזבוז חומרים בכ-30 עד 40 אחוז, מה שמאוד משמעותי כשמדובר בחומרים יקרים. והדיוק המימדי? כ-50 מיקרומטרים, לפי מחקרים שהתפרסמו לאחרונה בכתב העת Journal of Materials Research. לא מפתיע ששיטות חדשות אלו מתחילות למשוך תשומת לב רבה מצד יצרנים.
למרות ההתקדמות, אימוץ רחב יותר נתקל במכשולים:
نانוקומפוזיטים של אלומינה-סיליקון קרביד מציגים שיפור של 22% בהשתנות קרני גמא ב-2 MeV, בהשוואה לחומרי קרמיקה חד-גוניים. שילוב של 3 wt% צינורות ננו של ניטריד בור מגביר את חתך הקapture נוتروני ב-40% מבלי לפגוע ב dẫnת החום, שנשארת מעל 25 W/mK – מה שהופך אותם למועמדים מבטיחים לרכיבי שילוט רב-תכליתיים.
هجנים של פולימר-קרמיקה, כגון תערובות אפוקסי-בורון קרביד, משיגים 80% מהיעילות של עופרת בשילוט, ובמשקל הנמוך ב-30%. עם זאת, הגבול התרמי שלהם של 250°C מגביל את השימוש בהם למערכות עזר ולא ללב הגורם, שם נדרשת עמידות גבוהה יותר לטמפרטורה.
חלקי חימר המשמשים ביישומים גרעיניים חייבים לעמוד בדרישות אבטחה עולמיות חמורות. לפי הדרכות SSG-37 של הסוכנות הבינלאומית לאנרגיה אטומית, חומרי שילוט חייבים להיות מסוגלים לספוג קרינה בשיעור העולה על 100 מיליון יחידות גריי לפני שהופעתם כל סימן של נזק מבני. עמידה בתקנים ASME BPVC-III ובמפרט ISO 17872:2020 תורמת להבטחת יכולת החומרים לספוג ניוטרונים בצורה יעילה של לפחות 85 אחוזים במאיצים מים מחוממים. בעלי מקצוע בתעשייה עדכנו לאחרונה את המלצותיהם הטכניות כדי לכלול מעקב רציף אחר סדקים זעירים ברכיבי החימר של כורים מהדור III+ החדשים. גישה פרואקטיבית זו הוכחה כמקטינה את הסיכוי לכשלים בכ-40 עד 45 אחוז בהשוואה לשיטות שילוט ישנות שעדיין פועלות כיום.
תחנות גרעיניות מודרניות משתמשות בדרך כלל בלבני חימר קרמיים יחד עם בטון עבה שמכיל מגנטיט (Fe3O4) או חומרים מסרפנטיני כדי לבנות מחסומי קרינה שכבותיים. השילוב עובד טוב יותר מאשר שימוש בקיר קרמי בלבד, ומקטין קרני גמא בכ-22%. קיימת בעיה אחת טריקית - חימר ובטון מתרחבים בצורה שונה כאשר הם מחוממים. החימר מתרחב בכ-5.8 מיקרומטר למטר ולמעלה של צלזיוס, בעוד שהבטון מתרחב עוד יותר. מסיבה זו מהנדסים מחדירים שכבות זירקוניה דרגות מיוחדות ביניהם. שכבות ביניים אלו עוזרות לשמור על יציבות המבנה כולו גם כאשר הטמפרטורות מגיעות ל-650 מעלות צלזיוס במהלך פעילות רגילה.
EN
