TRISO degvielas tehnoloģija ir pamatā keramikas bumbiņām, ko izmanto kodolenerģētikas pielietojumos. Šie sīkie daļiņi ir tikai dažu milimetru lieli, bet satur urāna degvielu, kas ievīsta vairākās aizsargkārtās no silīcija karbīda un oglekļa. Tā tiek radīta kaut kas līdzīgs miniatūrai contained sistēmai, kas novērš radioaktīvo materiālu izkļūšanu pat ļoti augstās temperatūrās virs 1800 grādiem pēc Celsija. Augstākās kodro drošības organizācijas veikti testi liecina, ka šīs TRISO daļiņas notur apmēram 99,99 procentus radioaktīvo blakusproduktu iekšpusē arī ekstrēmos apstākļos. Tas padara tās ārkārtīgi svarīgas, nodrošinot drošu darbību mūsdienu reaktoros, dodot inženieriem mieru attiecībā uz potenciālām noplūdēm vai bojājumiem.
Keramikas ekrānēšanas efektivitāte izriet no tās kārtotās materiāla struktūras, kas apvieno neitronu palēnināšanu, absorbciju un gama starojuma attenuāciju:
| Kārtas materiāls | Funkcija | Starojuma izturības slieksnis |
|---|---|---|
| Silīcija karbīds (SiC) | Galvenais strukturālais barjers un neitronu palēninātājs | Līdz 1 800°C |
| Bora karbīds (B₄C) | Neitronu absorbcija | 800°C ilgstoši |
| Volframa pastiprināts | Gama staru vājināšana | >300 keV fotona enerģija |
Augstas blīvuma keramika, piemēram, volframa un vismuta kompozīti, samazina gama starojuma izplatīšanos par 80% salīdzinājumā ar tradicionālo tērauda aizsardzību, kā norāda 2023. gada pētījumi. Šis daudzfunkcionālais dizains ļauj efektīvi novadīt siltumu, vienlaikus nodrošinot izturīgu aizsardzību pret neitronu un gama starojumu.
Idaho Nacionālajā laboratorijā pētnieki testēja TRISO bāzētas keramikas bumbiņas simulētos stacijas izslēgšanas apstākļos. Testi ietvēra temperatūras paaugstināšanos virs 3000 °F (1650 °C) vairāk nekā 400 nepārtrauktas stundas, kas ir tālu aiz tipiskajiem reaktoru darba apstākļiem. Ievērojams bija tas, ka gama starojuma atturēšanās visu laiku palika stabili virs 97%. Šis rādītājs labi saskan ar Starptautiskās Atomenerģijas aģentūras datiem, kas liecina, ka keramikas ekrānēts kurināms avārijas gadījumā var samazināt radioaktīvo emisiju apmēram par 90% salīdzinājumā ar tradicionālajām urāna oksīda degvielas stienīšiem. Vēl viens interesants aspekts ir tas, ka keramika faktiski kļūst cietāka, kad to bombardē ar starojumu, tādējādi padarot to daudz izturīgāku pret izkausēšanos pat tad, ja dzesēšanas sistēmas pilnībā iziet no ierindas.
Silīcija karbīds (SiC) kopā ar grafītu svarīgi palīdz uzturēt keramikas bumbiņu stabilitāti gan termiski, gan radioloģiski. SiC komponenta izturība saglabājas pat tad, ja temperatūra pārsniedz 1600 grādus pēc Celsija, un tas neļoti viegli sadalās, kad pakļauts neitronu plūsmai, kas pārsniedz 10^21 n kvadrātcentimetrā. Tas nozīmē, ka šie materiāli var ilgt daudz ilgāk ļoti smagos apstākļos. Arī grafīts palīdz, efektīvi absorbējot neitronus un novadot siltumu, izmantojot savas virzienorientētās siltumvadītspējas īpašības. Bez šīs kombinācijas reaktoru serdes iekšpusē veidotu bīstamas karstas vietas, kas ilgtermiņā varētu izraisīt nopietnas problēmas.
Kad keramiskajos materiālos tiek iekļauts bors-10, tie spēj uztvert aptuveni 94% šo neērtos termoneitronus, izmantojot tā saukto 10B(n,α)7Li reakciju. Gamma starojuma apturēšanai vislabāk darbojas materiāli ar augstu atomnumuru. Šeit izceļas volframs un vismutis, jo tie īpaši labi absorbē šos enerģiskos fotonus, izmantojot fotoelektrisko efektu. Savienojuma materiāla izveide, kas sastāv no bora karbīda, sajaukta ar volframu, un ir tikai 3 centimetrus biezs, samazina gamma starojuma intensitāti gandrīz līdz nullei — aptuveni par 99,8%. Šāda aizsardzība pret gan neitronu, gan gamma starojumu ir apstiprināta testos, tostarp nesen publicētos Starptautiskās Atomenerģijas aģentūras pētījumos 2023. gadā.
Materiāli, kas pazīstami kā MAX fāzes keramika, tostarp savienojumi Ti3SiC2 un Cr2AlC, apvieno metālu un keramikas labākās īpašības. Šie materiāli demonstrē ievērojamu izturību pret plaisāšanu, parādot aptuveni trīs reizes labāku veiktspēju salīdzinājumā ar parasto silīcija karbīdu. Vēl interesantāka ir to spēja efektīvi bremzēt neitronus. Pētījumi, ko veikuši zinātnieki Oak Ridge Nacionālajā laboratorijā, ir parādījuši arī kaut ko ievērojamu. Situācijās, kad tiek zaudēts dzesētājs, šie materiāli iztur temperatūras līdz 800 grādiem pēc Celsija vairāk nekā trīs pilnas dienas pēc kārtas. Šāda izturība ir piesaistījusi zinātnieku uzmanību, kuri strādā pie nākotnes paaudzes kodolreaktoriem, jo īpaši tiem, kas balstīti uz kušu sāļiem un citām jaunām konstrukcijas koncepcijām.
Inženiertehniski izstrādātas nanostrukturētas graudu robežas keramikas bumbiņās ierobežo hēlija burbuļu veidošanos — vienu no biežākajām starojuma izraisītās uzpūšanās cēlonēm. Paātrināto novecošanas testu rezultāti rāda mazāk nekā 0,2 % tilpuma izmaiņas pēc iedarbības, kas līdzvērtīga 40 reaktora gadiem. Speciāli paredzēts porainības diapazons 8–12% kompensē siltuma izplešanos, nekompromitējot blīvumu vai aizsargfunkciju, nodrošinot ilgtermiņa uzticamību.
TRISO daļiņām ir šī īpašā četru slāņu keramiskā konstrukcija, kas visu notur ievērojami labi. Ap patieso urāna kodolu atrodas porains oglekļa buferis, kas palīdz absorbēt visas mehāniskās un termālās slodzes, kuras citādi radītu problēmas. Aplūkojot silīcija karbīda slāni, tas būtībā ir galvenais aizsardzības elements šeit. Notiek tā, ka radioaktīvās vielas paliek iekšpusē ar vairāk nekā 99,9 procentu efektivitāti pat tad, kad temperatūra sasniedz aptuveni 1600 grādus pēc Celsija. Tad mēs nonākam pie iekšējā un ārējā pirolītiskā oglekļa slāņa. Tie faktiski veic divas galvenās funkcijas. Pirmkārt, tie nodrošina strukturālu atbalstu, un otrkārt, tie novērš neparedzētas ķīmiskās reakcijas starp urāna kodolu un silīcija karbīda slāni. Šī visa iekārta nodrošina, ka daļiņa paliek neskarta pat tad, ja temperatūra ātri mainās uz priekšu un atpakaļ.
Paātrinātā testēšana imitē desmitgades ilgu neitronu iedarbību dažās nedēļās. Pēc 10 000 stundām augsta plūsmas apstākļos (10¹ n/cm²), TRISO pārklājumi saglabā vairāk nekā 98% no sākotnējās izturības. SiC slānis paliek gandrīz nepieļaujams, ar porainību zem 0,01% pēc iedarbības ar gama starojumu, kura deva pārsniedz 200 MGy — efektīvi novēršot mikroplaisas, kas var izraisīt noplūdi.
Precīzi slāņu izmēri līdzsvaro starojuma aizturošanu ar siltuma pārvaldību:
| Slānis | Biezums (µm) | Galvenā funkcija |
|---|---|---|
| Porains ogleklis buferis | 50–100 | Uzsūc siltuma spriegumu |
| Iekšējs pirolītiskais ogleklis | 20–40 | Novērš kodola-SiC reakcijas |
| Silicīna karbīds | 30–50 | Bloķē sadalīšanās produktus |
| Ārējs pirolītiskais ogleklis | 40–60 | Pretojas mehāniskai degradācijai |
Simulācijas liecina, ka, palielinot SiC slāni no 25 µm līdz 35 µm, neitronu bloķēšana uzlabojas par 60%, ievērojami samazinot starojuma noplūdes risku.
Ražotāji tagad ievēro ISO 21439:2023 standartus, lai sasniegtu precīzas izmēru tolerances (<0,5% novirze). Automatizētas pārklājierīces nodrošina 95% ražošanas iznākumu, atbalstot gadskārtējo izlaidi, kas pārsniedz 10 miljonus degvielas kodolu vienā reaktora ielādē—par 300% vairāk nekā kopš 2020. gada. Šāda mērogojamība nodrošina stabilitāti kvalitātē, ko izmanto čaumalu un kausētu sāļu reaktoros visā pasaulē.
Bora karbīds (B4C) ir svarīgs neitronu kontroles aspekts, jo tam piemīt ļoti liela absorbcijas šķērsgriezuma vērtība 10B izotopiem — aptuveni 3840 barni. Pētot keramikas bumbiņas ar aptuveni 15% bora karbīda saturu, tika novērots ievērojams neitronu plūsmas samazinājums — gandrīz 92%. Patiesais izaicinājums rodas, strādājot ar dažādiem enerģijas līmeņiem. Tāpēc mūsdienu materiāli bieži sajauc gadolīnija oksīdu (Gd2O3), lai efektīvi absorbētu epitermiskos neitronus, savukārt hafnija diborīds (HfB2) labāk tiek galā ar ātrajiem neitroniem. Šādas kombinācijas parasti sasniedz atslābināšanas ātrumu no 8 līdz 12 cm⁻¹ pie aptuveni 2 MeV enerģijas, kas padara tās daudz universālākas salīdzinājumā ar vecākiem risinājumiem.
| Materiāls | Neitronu enerģijas diapazons | Absorbcijas efektivitāte (cm⁻¹) |
|---|---|---|
| Bora karbīds | Termālie (<0,025 eV) | 10.2 |
| Gadolīnija oksīds | Epitermiskie (1–100 eV) | 7.8 |
| Hafnija diborīds | Ātrie (>1 MeV) | 3.4 |
Gamma starojuma aizsardzībai ražotāji bieži izmanto smagus materiālus, piemēram, volframa karbīdu vai vismuta trioksīdu. Ņemsim keramisko ekrānu ar aptuveni 10 mm biezumu, kas satur apmēram 30 procentus volframa karbīda. Šāda iekārta samazina gamma starojumu aptuveni par 85 procentiem, strādājot ar enerģijas līmeņiem ap 1,33 MeV. Tāda veiktspēja atbilst tradicionālajiem svina ekrāniem, bet bez visām tām veselības riskiem, kas saistīti ar svina iedarbību. Aplūkojot vismuta bāzes variantus, to spēju bloķēt starojumu mēra intervālā no 0,12 līdz 0,18 kvadrātcentimetri uz gramu. Šīs īpašības padara vismuta keramiku par īpaši labu izvēli tajos gadījumos, kad svarīga ir vieta un vienlaikus jāievēro drošības standarti.
Integrētas konstrukcijas, kas apvieno B₄C, WC un SiC, rada daudzfunkcionālas barjeras. Piemēram, trīskārša struktūra (B₄C/WC/SiC) nodrošina vairāk nekā 99% neitronu absorbciju un 80% gama starojuma attenuāciju darba temperatūrās līdz 1 600°C, vienlaikus piedāvājot visaptverošu aizsardzību vienā sistēmā.
Keramikas enkapsulācija nodrošina, ka sadalīšanās produkti, piemēram, cēzijs-137, avarijas situācijās paliek ierobežotā veidā. SiC pārklājums TRISO daļiņās 1 800°C temperatūrā saglabā 99,996% radioaktīvo nuklīdu, kā to 2023. gadā apstiprināja IAEA stresa testi. Šāda pasīvā ierobežošana nozīmē atkarības no ārējas dzesēšanas vai cilvēka iejaukšanās novēršanu, ievērojami uzlabojot reaktora izturību.
HTGR darbojas ļoti augstās temperatūrās, bieži virs 1600 grādiem pēc Celsija, tomēr izmantotās keramikas bumbiņas paliek neskartas to speciālās TRISO daļiņu konstrukcijas dēļ. Šo materiālu uzticamību nosaka silīcija karbīda apvalks, kas iztur temperatūras virs 3000 pēc Fārenheita, nepazūdot. Tas nozīmē, ka reaktors spēj dzesēties patstāvīgi pat tad, ja to neviens neuzrauga vai notiek strāvas pārtraukums. Pētījumi, ko veikušas organizācijas, piemēram, IAEA, ir norādījušas uz šo iebūvēto drošības priekšrocību, parādot, kā šādi reaktori faktiski spēj izdzīvot ilgstošus periodus bez elektroenerģijas. Kad inženieri simulē visnelabvēlīgākos scenārijus, viņi atklāj arī kaut ko ievērības vērtu: keramikas degviela aptur radioaktīvo materiālu izplūšanu aptuveni 98 procentos labāk nekā parastās degvielas stieņi līdzīgos apstākļos. Tāda veida sniegums dod elektrostaciju operatoriem mierinājumu, zinot, ka to objekti ir daudz drošāki pret avārijām.
Tradicionālas urāna oksīda tabletes ir atkarīgas no apvalka, kas var plaisāt sprieguma ietekmē, savukārt keramikas bumbiņas ieslēdz kurināmvielu materiālu vairākos aizsargslāņos, kas iztur starojuma radītos bojājumus. Šo datus atbalsta testi Oukridžas Nacionālajā laboratorijā, kuri parāda, ka šie jaunie dizaini samazina bīstamas noplūdes no kodolreakcijām gandrīz par 90% salīdzinājumā ar vecākām metodēm. Vēl viens liels keramikas tehnoloģijas pluss ir tās mijiedarbība ar ūdeni. Tā kā keramika tik stipri nereaģē ar ūdeni, reaktora avārijas gadījumā ir daudz mazāka iespēja ražot sprāgstošu ūdeņraža gāzi. Tas padara to daudz drošāku par konvencionālajiem vieglā ūdens reaktoriem, kuros ūdeņraža uzkrāšanās ir bijusi liela problēma.
Vairāk nekā piecpadsmit valstis, tostarp Savienotās Valstis, Ķīna un Francija, ir sākušas keramisko degvielas sistēmu attīstību savai nākamajai reaktoru tehnoloģijas paaudzei. Saskaņā ar pagājušā gada datus no Starptautiskās kodolenerģijas asociācijas, ar augstas temperatūras gāzi dzesēti reaktori, kas izmanto keramiskas bumbiņas, varētu veidot aptuveni divpadsmit procentus no kopējās pasaules kodolenerģijas apjomā vidēji līdz 2030. gadam. Pašlaik notiekošie standartizācijas pasākumi cer nākamajos gadu desmitos gandrīz par pusi samazināt TRISO ražošanas izmaksas. Šis izmaksu samazinājums padarīs šīs uzlabotās degvielas pieejamākas gan mazo modulāro reaktoru, gan pat vēl mazāku mikroreaktoru konstrukciju izmantošanai, ar ko pašlaik eksperimentē daudzas uzņēmumu struktūras.
EN
