TRISO kuro technologija sudaro pagrindą šiems keraminiams rutuliukams, naudojamiems branduolinės energijos srityje. Mažyčiai dalelių rutuliukai turi tik kelių milimetrų skersmenį, tačiau jie savyje turi urano kurą, apgaubtą keliais apsauginiais silicio karbido ir anglies sluoksniais. Tai sukuria tokį mini apsaugos barjerą, kuris neleidžia radioaktyvioms medžiagoms išeiti net esant labai aukštai temperatūrai – virš 1800 laipsnių Celsijaus. Aukščiausios kategorijos branduolinės saugos organizacijų atlikti tyrimai parodė, kad šios TRISO dalelės sulaiko apie 99,99 procentų radioaktyviųjų suskaidymo produktų ekstremaliomis sąlygomis. Tai daro jas nepaprastai svarbiomis užtikrinant saugų šiuolaikinių reaktorių veikimą, suteikiant inžinieriams ramybę dėl galimų nutekėjimų ar gedimų.
Keraminės apsaugos veiksmingumas kyla iš sluoksniuotos medžiagos struktūros, kuri sujungia neutronų lėtinimą, sugertį ir gama spindulių slopinimą:
| Sluoksnio medžiaga | Funkcija | Spinduliuotės atsparumo slenkstis |
|---|---|---|
| Silicio karbidas (SiC) | Pagrindinė konstrukcinė barjeras ir neutronų moderatorius | Iki 1 800 °C |
| Boro karbidas (B₄C) | Neutronų sugertis | 800 °C pastoviai |
| Volframu stiprintas | Gama spindulių silpninimas | >300 keV fotonų energija |
Didelės tankio keramikos, tokių kaip volframo ir bismuto kompozitai, pagal 2023 metų tyrimus sumažina gama spinduliavimo priskverbimą 80 % lyginant su tradicine plienine apsauga. Šis daugiafunkcinis dizainas leidžia efektyviai sklaidyti šilumą, tuo pačiu užtikrinant patikimą apsaugą nuo neutronų ir gama spinduliavimo.
Aidaho nacionalinėje laboratorijoje tyrėjai bandė TRISO pagrindu gaminti keramikos kamuoliukus, imituojant stotis, kai buvo užtemta. Testas 400 valandų trukmės temperatūrą privertė viršyti 1650 °C, kur kas gerokai viršija reaktorių temperatūrą. Kas buvo išskirtina, buvo tai, kad gama spindulių slopinimas išliko nuolat virš 97% visą laiką. Tai puikiai atitinka Tarptautinės atominės energijos agentūros duomenis, kurie rodo, kad keraminio apsaugoto kuro kiekis per avarijas gali sumažinti radioaktyvią medžiagą apie 90% palyginti su tradiciniais urano oksido kuro lazdomis. Kitas įdomus aspektas yra tai, kaip keramika iš tikrųjų tampa kieta, kai ji bombarduojama radiacija, todėl ji yra daug atsparesnė tirpėjimams net jei šaldymo sistemos visiškai sugenda.
Silicijaus karbidas (SiC) kartu su grafitu svarbiai prisideda prie keramikos rutulių stabilumo tiek termiškai, tiek radiologiškai. SiC komponentas išlaiko stiprumą net esant temperatūroms, viršijančioms 1600 laipsnių Celsijaus, o taip pat nesunkiai susidoroja su neutronų srautais, viršijančiais 10^21 n viename kvadratiniame centimetre. Tai reiškia, kad šios medžiagos gali išlikti ilgesnį laiką ypač sunkiomis sąlygomis. Grafitas taip pat padeda, sugerdamas varganus neuronus ir efektyviai šalindamas šilumą dėka savo kryptinio šilumos perdavimo savybių. Be šio derinio reaktoriaus šerdyje galėtų atsirasti pavojingi karšti taškai, kurie ateityje galėtų sukelti rimtas problemas.
Kai keraminiai medžiagų yra apdailintos boriu-10, jos gali sugauti apie 94 % šių erzinančių šiluminių neutronų per taip vadinamą 10B(n,α)7Li reakcijos procesą. Kalbant apie gama spindulių sustabdymą, geriausiai veikia medžiagos su aukštu atominiu skaičiumi. Čia išsiskiria volframas ir bismutas, nes jie puikiai sugeria šiuos energingus fotonus dėl reiškinio, vadinamo fotoelektriniu efektu. Iš borkarbido, sumaišyto su volframu, pagaminta tik 3 centimetrų storio kompozitinė medžiaga sumažina gama spinduliuotės intensyvumą beveik iki nulio – apie 99,8 % mažėjimas. Toks apsauga nuo neutronų ir gama spinduliuotės buvo patvirtinta bandymuose, įskaitant neseniai Tarptautinės atominės energijos agentūros 2023 m. paskelbtus rezultatus.
MAX fazės keramikos, tokios kaip Ti3SiC2 ir Cr2AlC, sujungia metalų ir keramikos geriausias savybes. Šios medžiagos pasižymi išskirtine atsparumu trūkinėjimui, rodant apie tris kartus geresnius rezultatus lyginant su įprastu silicio karbidu. Dar labiau sudomina jų gebėjimas efektyviai lėtinti neutronus. Oak Ridge Nacionalinės laboratorijos mokslininkų atlikti tyrimai parodė itin įspūdingus rezultatus: esant avarinei situacijai, kai prarandamas aušinimo skysčio slėgis, šios medžiagos išlaiko stabilumą 800 laipsnių Celsijaus temperatūroje ilgiau nei tris pilnas dienas. Toks atsparumas patraukė dėmesį mokslininkų, dirbančių prie naujos kartos branduolinių reaktorių, ypač tų, kuriuose naudojami lydūs druskų aušintuvai bei kitos pažangios konstrukcijos.
Keraminių rutulių suprojektuotos nanostruktūrinės grūdelių ribos slopina helio burbuliukų susidarymą – vieną iš dažniausių spinduliuotės sukeltos paburkimo priežasčių. Greitinio senėjimo testai parodė mažiau nei 0,2 % tūrio pokytį po veikimo, ekvivalentaus 40 reaktoriaus metų. Tyčinis poringumas 8–12 % diapazone kompensuoja šiluminį plitimą nesumažindamas tankio ar apsaugos efektyvumo, užtikrindamas ilgalaikį patikimumą.
TRISO dalelės turi šį specialų keturis sluoksnius keraminį dizainą, kuris viską labai gerai saugo. Yra šis poringas anglies buferis aplink urano branduolį, kuris padeda absorbuoti visus tuos mechaninius ir šiluminius stresus, kurie kitaip sukeltų problemų. Dabar žiūrint į silicio karbido sluoksnį, tai iš esmės pagrindinė gynybos sistema. Kas atsitinka, tai radioaktyvi medžiaga ten lieka su 99,9 procentų efektyvumu net kai temperatūra pasiekia apie 1600 laipsnių Celsijaus. Tada mes gauname šiuos vidinius ir išorinius pirolytinius anglies sluoksnius. Jie daro du pagrindinius dalykus. Pirma, jie suteikia konstrukcinę paramą, ir antra, jie užkertami nuo bet kokių nepageidaujamų cheminių reakcijų tarp urano branduolio ir silicio karbido sluoksnio. Visa ši sistema užtikrina, kad dalelė išliktų nepaliesta net tada, kai temperatūra greitai keičiasi pirmyn ir atgal.
Greitinamas testavimas imituoją dešimtmečius trukusią neutronų veikimą per kelias savaites. Po 10 000 valandų esant aukšto srauto sąlygoms (10¹ n/cm²), TRISO danga išlaiko daugiau nei 98 % pradinės stiprumo reikšmės. SiC sluoksnis lieka beveik nepralaidus, o jo porėtis po gama spindulių poveikio, viršijančio 200 MGy, yra žemesnis nei 0,01 % – tai efektyviai neleidžia atsirasti mikroįtrūkimams, kurie galėtų sukelti nutekėjimą.
Tikslių sluoksnių matmenų subalansavimas užtikrina radioaktyviųjų medžiagų sulaikymą kartu su efektyviu šilumos valdymu:
| Sluoksnis | Storumas (µm) | Pagrindinė funkcija |
|---|---|---|
| Porotas anglies buferis | 50–100 | Sugeria šiluminę įtampą |
| Vidinis pirolitinis anglis | 20–40 | Neleidžia branduolio ir SiC reakcijų |
| Silicido anglis | 30–50 | Užkerta kelią skilimo produktų išsiskyrimui |
| Išorinis pirolitinis anglis | 40–60 | Atsparus mechaniniam susidėvėjimui |
Modeliavimas rodo, kad padidinus SiC sluoksnį nuo 25 µm iki 35 µm neutronų blokavimas pagerėja 60 %, žymiai sumažinant spindulių nutekėjimo riziką.
Gamintojai dabar laikosi ISO 21439:2023 standartų, kad pasiektų tikslų matmenų toleranciją (<0,5 % pokytis). Automatizuotos dengimo sistemos užtikrina 95 % gamybos išeigą, palaikančią metinę produkciją, viršijančią 10 milijonų kuro branduolių vienam reaktoriaus krūviui – tai 300 % didesnis augimas nuo 2020 m. Ši mastelio plėtra užtikrina nuoseklų kokybę naudojant rutulinio sluoksnio ir lydymosi druskos reaktorius visame pasaulyje.
Boro karbidas (B4C) atlieka svarbų vaidmenį kontroliuojant neutronus, nes jis turi labai aukštą absorbcijos skerspjūvį 10B izotopams, tiksliau tariant, apie 3840 stogų. Kai tyrėjai išbandė keraminius kamuoliukus, kuriuose buvo apie 15 proc. boro karbido, jie pastebėjo, kad neutronų srautas sumažėjo beveik 92 proc. Tačiau tikrasis iššūkis kyla, kai susiduriama su skirtingais energijos lygiais. Štai kodėl šiuolaikinės medžiagos dažnai sumaišoma į gadolinio oksido (Gd2O3) specialiai tiems sudėtingus epiterminiai neutronus, o pridedant hafnio diborido (HfB2) geriau tvarko greitai judančius. Šie deriniai paprastai pasiekia 8-12 cm atvirkštinio slopinimo dažnį energijose apie 2 MeV, todėl jie yra daug įvairesni nei senesni sprendimai.
| Medžiaga | Neutronų energijos intervalas | Absorbcijos efektyvumas (cm−1) |
|---|---|---|
| Boro karbidas | Terminis (<0,025 eV) | 10.2 |
| Gadolinio oksidas | Epitermalis (1100 eV) | 7.8 |
| Hafnijaus diboridas | Greitas (> 1 MeV) | 3.4 |
Gama spinduliuotės apsaugai gamintojai dažnai naudoja sunkias medžiagas, tokius kaip volframo karbidas ar bismutas trioksidas. Paimkime apie 10 mm storio keraminį skydą, kuriame yra apie 30 procentų volframo karbido. Tokia konstrukcija sumažina gama spindulius maždaug 85 procentų, kai energijos lygis siekia apie 1,33 MeV. Toks našumas atitinka tradicinių švininių skydų pasiekiamumą, tačiau be visų tų sveikatos rizikų, susijusių su švino poveikiu. Nagrinėjant bismutu pagrįstas parinktis, jų spinduliuotę slopinančios savybės matuojamos nuo 0,12 iki 0,18 kvadratinių centimetrų gramui. Šios savybės daro bismuto keramiką ypač tinkamu pasirinkimu ten, kur svarbu taupyti vietą ir tuo pačiu laikytis saugos standartų.
Integruoti dizainai, sujungiantys B₄C, WC ir SiC, sukuria daugiafunkcines barjerines sistemas. Pavyzdžiui, triplio struktūra (B₄C/WC/SiC) pasiekia daugiau nei 99 % neutronų sugerties ir 80 % gama spindulių slopinimo esant eksploatacijos temperatūroms iki 1 600 °C, suteikdama visapusišką apsaugą vienoje sistemoje.
Keraminis apgaubimas užtikrina, kad avarijos metu branduolinės skilimo produktai, tokie kaip cezis-137, liktų uždaryti. TRISO dalelių SiC danga išlaiko 99,996 % radionuklidų 1 800 °C temperatūroje, ką patvirtino IAEA atlikti apkrovos bandymai 2023 m. Ši aktyvioji izoliacija pašalina priklausomybę nuo išorinio aušinimo ar žmogaus įsikišimo, ženkliai padidindama reaktoriaus atsparumą avarijoms.
HTGR veikia labai aukštoje temperatūroje, dažnai viršijančioje 1 600 laipsnių Celsijaus, tačiau naudojamos keraminės rutulių formos dalelės išlieka nepažeistos dėl jų ypatingos TRISO dalelių konstrukcijos. Šių medžiagų patikimumą užtikrina silicio karbido apvalkalas, kuris gali išlaikyti temperatūrą, viršijančią 3 000 Farenheito, nesiskaldydamas. Tai reiškia, kad reaktoriui netgi tada, kai niekas jo nekontroliuoja arba atsiranda elektros tiekimo sutrikimų, galima natūraliai aušinti. Tarptautinės atominės energijos agentūros (IAEA) ir kitų organizacijų tyrimai pabrėžė šį integruotą saugos pranašumą, rodydami, kad tokie reaktoriai gali išgyventi ilgus laikotarpius be elektros energijos. Kai inžinieriai modeliuoja blogiausius scenarijus, jie atranda ir stulbinantį dalyką: keraminiai kuro elementai užtikrina, kad radioaktyviosios medžiagos nepatektų į aplinką apie 98 procentais geriau nei įprasti kuro strypai panašiomis sąlygomis. Toks našumas suteikia elektrinės operatoriams ramybę, žinant, kad jų objektai yra žymiai saugesni nuo avarijų.
Tradiciniai urano oksido granuliai priklauso nuo apvalkalo, kuris gali įtrūkti esant apkrovai, o keraminiai rutuliukai kuro medžiagą apgaubia keliais apsauginiais sluoksniais, atspariais radiacinei žalai. Tai patvirtina Tyso nacionalinės laboratorijos atlikti tyrimai, kurie parodė, kad šios naujos konstrukcijos sumažino pavojingas nutekėjimus dėl branduolinės reakcijos beveik 90 procentų, palyginti su senesnėmis metodikomis. Kitas svarbus keramikos technologijos privalumas – jos sąveika su vandeniu. Kadangi keramika su vandeniu reaguoja silpniau, reaktoriaus avarijos atveju susidaryti sprogstamojo vandenilio dujų rizika yra daug mažesnė. Dėl to ji yra žymiai saugesnė už tradicinius lengvojo vandens reaktorių projektus, kuriuose vandenilio kaupimasis buvo pagrindinė problema.
Daugiau nei penkiolika šalių, įskaitant Jungtines Valstijas, Kiniją ir Prancūziją, pradėjo kurti keraminius kuro sistemas savo naujos kartos reaktorių technologijai. Pagal paskutiniais metais paskelbtus Pasaulinės branduolinės asociacijos duomenis, aukštos temperatūros dujomis aušinami reaktoriai, naudojantys keraminius rutulius, galėtų sudaryti apie dvylika procentų visos pasaulinės branduolinės energijos apimties iki vidurio 2030-ųjų metų. Šiuo metu vykstantys standartizavimo darbai siekia per artimiausius kelis metus beveik dvigubai sumažinti TRISO gamybos išlaidas. Toks sąnaudų mažinimas padarys šiuos pažangius kuras lengviau pasiekiamus tiek mažiesiems moduliniams reaktoriams, tiek dar mažesniems mikroreaktorių projektams, su kuriais šiuo metu eksperimentuoja daugelis įmonių.
EN
