Keraminiai plytų blokai, naudojami atominėse elektrinėse, užtikrina svarbią apsaugą dėl išskirtinės gebos atlaikyti radiaciją ir išlaikyti stabilumą net esant aukštai temperatūrai. Šie blokai pagaminti iš cirkonio karbido su silicio karbido stiprinimu, todėl jų medžiaga pasiekia apie 98 % teoriškai galimo tankio. Toks tankus pakuotumas palieka labai mažai tarpų, pro kuriuos galėtų prasiskverbti radiacija. Veikiami neutronų apšvitinimo esant apie 1000 laipsnių Celsijaus temperatūrai, šie blokai išsiplėčia mažiau nei pusę procento tūrio. Tai žymiai geriau nei įprastas betonas, kuris ilgainiui linkęs deformuotis ir skilti. Elektrinės operatoriams, rūpinantiems saugumo atsarga, kuri turėtų išlaikyti dešimtmečius, tokia struktūrinė vientisumas daro esminį skirtumą.
Slėginio vandens reaktoriuose (PWR) keraminiai blokai atlieka tris pagrindines funkcijas ekstremaliomis eksploatacinėmis sąlygomis:
Šias funkcijas užtikrina medžiagos gebėjimas išlaikyti tempiamąją jėgą virš 200 MPa esant 1200 °C – riba, kuri yra už daugelio plieno lydinių galimybių
Keramika, skirta branduolinėms aplikacijoms, yra apdorojama boro-10 izotopais, kurie efektyviai sugeria šiluminius neutronus dėl labai didelio sugerties skerspjūvio – apie 3837 barnų. Taip pat ji turi volframo dalelių, kurios padeda blokuoti gama spindulius per fotoelektrinį efektą, kai energijos yra žemesnės nei 3 MeV. Pagal paskutinių metų tyrimus, iš šios keramikos plytų pagamintos sienos, apie 30 cm storio, gali sumažinti greitųjų neutronų srautą beveik 92 procentais. Tai iš tiesų geriau nei lyginant su švinu ir boru pagrįstu stiklu, kuris sumažina tik apie 78 procentus. Tai, kad šios plytos taip gerai susidoroja su abiem spinduliavimo tipais, reiškia, kad jos vis labiau tampa svarbios statant mažesnius, bet vis dar labai veiksmingus apsaugos nuo spinduliavimo sprendimus naujuose reaktorių projektuose, kurie netrukus bus paleisti.
Nauji sinterizavimo metodai, sujungti su grūdelių ribos inžinerija, padidino branduolinės klasės keramikos tempimo stiprumą daugiau nei 600 MPa. Kalbant apie silicio karbido ir cirkonio diborido mišinius, jie parodo apie 40–60 procentų geresnį atsparumą trūkinėjimui lyginant su standartinėmis aliuminais, tradiciškai naudojamais medžiagomis. Tai, kas iš tikrųjų išskiria šią keramiką, yra jos gebėjimas išlaikyti formą net esant neutronų bombardavimui, pasiekiančiam iki 15 poslinkių vienam atomui. Toks stabilumas yra labai svarbus reaktoriaus dalims, kurios turi išlaikyti ilgalaikę spinduliuotės veikimą dešimtmečius, ypač elektrinėse, suprojektuotose veikti daugiau nei keturiasdešimt metų iš eilės.
Medžiagos, vadinamos ultra aukštos temperatūros keramika (UHTC), gali išgyventi reaktorių sąlygose, kurių temperatūra siekia daugiau nei 2000 laipsnių Celsijaus, nes jų paviršiuje susidaro apsauginiai oksido sluoksniai, jos turi labai mažą šiluminio plėtimosi koeficientą – apie 4,5 × 10⁻⁶ K⁻¹, ir išlaiko struktūrinį vientisumą nepaisant defektų kristalinėje gardelėje. Konkrečiai hafnijaus karbido atveju, šios medžiagos turi tik 2 procentų tūrio pokytį po 500 šildymo ir aušinimo ciklų nuo 300 iki 1800 laipsnių Celsijaus. Tai daro jas maždaug aštuonis kartus ilgaamžiškesnes lyginant su tradicine grafitine medžiaga, kai laboratorinėmis sąlygomis atliekami greito senėjimo testai.
Žemiau pateikta lentelė palygina neutronų slopinimo efektyvumą įprastose keraminėse medžiagose:
| Medžiaga | Neutronų silpninimas (MeV diapazone) | Gamma spindulių blokavimas | Eksplotacijos trukmė |
|---|---|---|---|
| Boro karbidas | 0,025–14 (šiluminiai–greitieji) | Vidutinis | 15–20 Metų |
| Hafnijaus diboridas | 0,1–10 (epiterminiai–greitieji) | Aukštas | 25+ Metų |
| Volframo karbidas | 1–14 (greitieji neutronai) | Ekstremalus | 12–15 metų |
Pastarieji pridėtinės gamybos pasiekimai leidžia sluoksniuotas apsaugos struktūras, kurios sujungia šių medžiagų privalumus, tuo pačiu sumažinant komponentų svorį 22–35 % lyginant su vientisomis konstrukcijomis. Ši inovacija tiesiogiai sprendžia ilgaamžiškumo iššūkius, pastebėtus trečios kartos+ reaktorių prototipuose, užtikrindama ilgalaikį saugumą ir našumą.
Tyrimai, atlikti su 18 slėginio vandens branduolinių reaktorių vienetų, parodė, kad šie specialūs branduoliniai keraminiai blokeliai išlaiko apie 98 % jų pradinės stiprumo vertės net po penkerių metų veikimo intensyvios neutroninės spinduliuotės sąlygose. Kai jie yra veikiami ekstremalių temperatūrų pokyčių esant apie 650 laipsnių Celsijaus temperatūrai, jie tarnauja įspūdingus 12 000 valandų be mikroskylų atsiradimo, kas iš tiesų 15 % geriau nei Tarptautinės atominės energijos agentūros nustatyti standartai ilgalaikiam patvarumui. Šių blokelių gamybos būdas suteikia jiems apie 40 % didesnį apsaugos lygį nuo spinduliuotės pažeidimų, palyginti su įprastinėmis apsauginėmis medžiagomis, kurios šiuo metu naudojamos elektrinėse. Tai buvo patvirtinta įvairiais eksperimentais, tiriant, kaip skirtingos medžiagos išlaiko šiluminę apkrovą naujos kartos branduoliniuose reaktoriuose, kurie šiuo metu kuriami.
Šiandien atominės jėgainės pradeda naudoti keramines plyteles, sumaišytas su tokiomis medžiagomis kaip boros karbidas, kurios sugeria neutronus. Šios naujos medžiagos sumažina gama spindulių priskverbimą apie 62 procentais lyginant su senesnėmis parinktimis, išlaikant struktūrinį lankstumą. Analizuojant realius duomenis iš Europos slėgio vandens reaktorių, pastebima ir tai, kad keraminė apsauga per dešimt metų reikalauja apie tris ketvirtadalius mažiau techninės priežiūros darbų nei įprasti betoniniai barjerai. Šiuo metu mokslininkai dirba prie šių medžiagų tobulinimo naudojant kintamo tankio konstrukcijas. Tai padeda jiems geriau atlaikyti terminius smūgius, kas ypač svarbu naujesnėms reaktorių konstrukcijoms, kurios veikimo metu patiria staigius temperatūros pokyčius.
Šiuolaikinės branduolinės keraminės plytos naudojasi pasiekimais tiek medžiagų moksle, tiek gamybos technologijose. Nors tradicinė sinterizacija išlieka pagrindinė, pridėtinės gamybos (AM) technologija leidžia pasiekti sudėtingas geometrijas, anksčiau nepasiekiamas. 2024 metų tyrimas parodo, kad AM pagamintos keramikos tankis pasiekia 98,5 % su gerovesne radiacine atsparumu, sumažinant neutronų nutekėjimą 18 % lyginant su liejimo būdu gautomis atitiktimis.
Dujinio slėgio sinterizacija išlieka pagrindinis būdas gaminti labai tankius cirkonio karbido plytų blokus, reikalingus aukštos kokybės taikymams. Tačiau šiuolaikinė pridėtinės gamybos technologija keičia situaciją. Tokios technikos kaip rišiklio lašelinimas (binder jetting) ir stereolitografija atveria galimybes kurti sudėtingas funkcionaliai gradientines apsaugos dalis, kurių tradicinės technologijos paprasčiausiai negali įgyvendinti. Skaičiai atrodo itin geri. Kalbama apie medžiagų atliekų sumažinimą nuo 30 iki 40 procentų – tai labai svarbu dirbant su brangiomis medžiagomis. O matmenų tikslumas? Naujausių „Journal of Materials Research“ duomenimis – apie 50 mikrometrų. Aišku, kodėl vis daugiau gamintojų pradeda dėmesį skirti šioms naujovėms.
Nepaisant pažangos, plačiam naudojimui kyla kliūtys:
Aliuminio oksido ir silicio karbido nanokompozitai parodo 22 % geresnį gama spindulių slopinimą 2 MeV lyginant su vientisomis keraminėmis medžiagomis. Įtraukus 3 sv. % borono nitrido nanovamzdelių, neutronų sugavimo skerspjūvis padidėja 40 %, neprarandant šilumos laidumo, kuris išlieka aukščiau 25 W/mK – tai daro juos perspektyviais kandidatais multifunkcinėms apsauginėms detalėms.
Polimerinės-keraminės hibridinės medžiagos, tokios kaip epoksidinis berilio karbidas, pasiekia 80 % švininės apsaugos efektyvumą esant 30 % mažesniam svoriui. Tačiau jų terminis ribojimas 250 °C apriboja naudojimą tik pagalbinėse sistemose, o ne reaktoriaus šerdies aplinkoje, kur būtinas didesnis atsparumas aukštai temperatūrai.
Keraminės dalys, naudojamos branduolinėse aplikacijose, turi atitikti griežtus visuotinus saugos reikalavimus. Pagal Tarptautinės atominės energijos agentūros SSG-37 gaires, apsauginės medžiagos turėtų būti gebančios išlaikyti spinduliuotės dozes, viršijančias 100 milijonų Grejų vienetų, prieš pradėdamos rodyti bet kokius struktūrinių pažeidimų požymius. Atitiktis tiek ASME BPVC-III standartams, tiek ISO 17872:2020 specifikacijoms padeda užtikrinti, kad šios medžiagos galėtų surinkti neutronus bent 85 procentų efektyvumu slėginio vandens reaktoriuose. Paskesniais metais pramonės ekspertai atnaujino technines rekomendacijas, įtraukdami nuolatinį stebėjimą dėl mažiausių įtrūkimų keraminiuose komponentuose naujos kartos III+ gamyklose. Šis proaktyvus požiūris buvo parodęs, kad potencialios nesėkmės sumažėja apie 40–45 procentais, lyginant su senesnėmis vis dar veikiančiomis apsaugos sistemomis.
Šiuolaikiniai branduoliniai elektrinės paprastai naudoja keramines plytas kartu su stipriu betonu, kuriame yra magnetito (Fe3O4) arba serpentino medžiagų, kad būtų sukurtos sluoksniuotos spinduliuotės barjerinės sienos. Šis derinys veikia geriau nei vien tik keraminės sienos, sumažindamas gama spindulius apie 22 %. Tačiau yra viena sudėtinga problema – keramika ir betonas šildomi išsiplėčia skirtingai. Keramika išsiplėčia apie 5,8 mikrometrų vienam metrui vienam laipsmiui Celsijaus, o betonas išsiplėčia dar labiau. Dėl to inžinieriai tarp jų įterpia specialius laipsniškus cirkonio dioksido sluoksnius. Šie tarpiniai sluoksniai padeda išlaikyti visos konstrukcijos stabilumą net tada, kai normalios veiklos metu temperatūra pasiekia iki 650 laipsnių Celsijaus.
EN
