Keramikas ķieģeļi, ko izmanto kodolelektrostacijās, nodrošina būtisku starojuma ierobežošanu pateicoties to ievērojamai spējai pretestoties starojumam un uzturēt stabilitāti pat augstās temperatūrās. Šie ķieģeļi izgatavoti no cirkonija karbīda ar silīcija karbīda pastiprinājumu, radot materiālus, kuru blīvums sasniedz aptuveni 98% no teorētiski iespējamā maksimuma. Šāda blīva struktūra atstāj ļoti maz spraugu, kurās starojums varētu izkļūt. Pakļauti neitronu bombardēšanai apmēram 1000 grādu Celsija temperatūrā, šie ķieģeļi paplašinās mazāk nekā par pusprocentu tilpumā. Tas ir daudz labāk salīdzinājumā ar parasto betonu, kas ilgstošas slodzes ietekmē tendēcē deformēties un plaisāt. Elektrostaciju operatoriem, kuriem ir bažas par drošības rezervi, kas jānodrošina desmitiem gadu, šāda veida strukturālā vienmērība ir izšķiroša.
Spiedienā uzkarsētā ūdens reaktoros (PWR) keramikas ķieģeļi pilda trīs galvenas funkcijas ārkārtas ekspluatācijas apstākļos:
Šīs funkcijas ir iespējamas materiāla spēja saglabāt stiepes izturību virs 200 MPa pie 1200°C — slieksnis, kas pārsniedz vairumā tērauda sakausējumu iespējas.
Keramika, kas paredzēta kodoliekārtām, satur bora-10 izotopus, lai efektīvi absorbētu termoneitronus, jo tiem ir ļoti liels uztveršanas šķērsgriezums — aptuveni 3837 barni. Tās sastāvā ir arī volframa daļiņas, kas palīdz bloķēt gama starus, izmantojot tā saukto fotoelektrisko efektu, kad enerģijas līmenis ir zem 3 MeV. Saskaņā ar pētījumu, kas publicēts pagājušajā gadā, no šādas keramikas izgatavotas apmēram 30 centimetrus biezas sienas var samazināt straujo neitronu plūsmu gandrīz par 92 procentiem. Tas patiesībā ir labāk nekā līdzīgas sienas, kas izgatavotas no svina-borāta stikla, kuras nodrošina tikai aptuveni 78 procentu samazinājumu. Fakts, ka šīs ķieģeļveida struktūras tik labi aizsargā pret abām starojuma formām, nozīmē, ka tās kļūst arvien svarīgākas mazāku, taču joprojām ļoti efektīvu starojuma aizsardzības risinājumu būvniecībā jaunās reaktoru konstrukcijās, kas drīzumā tiks ekspluatācijā.
Jaunas sinterēšanas metodes, kas kombinētas ar graudu robežu inženieriju, ir palielinājušas kodoliekārtu keramikas izturību virs 600 MPa stiepes izmēģinājumos. Attiecībā uz silīcija karbīda un cirkonija diborīda maisījumiem tie parāda aptuveni 40 līdz 60 procentus labāku plaisu izturību salīdzinājumā ar standarta alumīna materiāliem, kas tradicionāli tika izmantoti. To, kas šo keramiku padara patiešām izcilu, ir spēja saglabāt savu formu pat tad, ja tā tiek pakļauta neitronu bombardēšanai, kas sasniedz līdz pat 15 displasementiem uz atomu. Šāda stabilitāte ir ļoti svarīga reaktoru daļām, kurām jāiztur desmitgades ilga nepārtraukta starojuma iedarbība elektrostacijās, kuru darbības ilgums ir vairāk nekā četrdesmit gadu.
Materiāli, kas pazīstami kā ultra augstas temperatūras keramika (UHTC), var izturēt reaktoru apstākļus, kuros temperatūra pārsniedz 2000 grādus pēc Celsija, jo to virsmā veidojas aizsargkārtas no oksīdiem, tiem ir ļoti zems termiskās izplešanās koeficients — aptuveni 4,5 reizes 10 minūs sestajā pakāpē Kelveinā — un tie saglabā strukturālo integritāti, pat ja to kristālrežģī ir defekti. Konkrēti hafnija karbīdam raksturīga tikai 2 procentu tilpuma izmaiņa pēc 500 sildīšanas un atdzisšanas cikliem no 300 līdz 1800 grādiem pēc Celsija. Tas nozīmē, ka tie ir aptuveni astoņas reizes izturīgāki salīdzinājumā ar tradicionālo grafītu, kad tiek testēti ātrinātos novecošanas apstākļos laboratorijas vidē.
Zemāk redzamajā tabulā salīdzināta neitronu aizturēšanas efektivitāte starp parastiem keramikas materiāliem:
| Materiāls | Neitronu vājināšana (MeV diapazons) | Gamma starojuma bloķēšana | Darbības ilgums |
|---|---|---|---|
| Bor karbīds | 0,025–14 (termālie-ātrie) | Mērens | 15–20 Gadi |
| Hafnija diborīds | 0,1–10 (epitermiālie-ātrie) | Augsts | 25+ Gadi |
| Volframa karbīds | 1–14 (ātrie neitroni) | Ekstrēms | 12–15 gadi |
Pēdējie sasniegumi pievienojošajā ražošanā ļauj slāņveida ekrānizācijas arhitektūru izveidi, kas apvieno šo materiālu stiprās puses, vienlaikus samazinot komponentu svaru par 22–35% salīdzinājumā ar monolītiskiem dizainiem. Šī inovācija tieši risina izturības problēmas, kuras novērotas trešās paaudzes+ reaktoru prototipos, nodrošinot ilgtermiņa drošību un veiktspēju.
Testi, kas veikti ar 18 spiediena ūdens reaktoru vienībām, parāda, ka šie speciālie kodolkeramikas bloki saglabā aptuveni 98% no sava sākotnējā izturīguma pat pēc piecu intensīvas neitronu starojuma gadiem. Kad tie tiek pakļauti ārkārtīgi lielām temperatūras svārstībām aptuveni 650 grādu Celsija temperatūrā, tie iztur ievērojamos 12 000 stundas, nepazaudējot mazos plaisu veidojumus, kas faktiski ir par 15% labāk nekā Starptautiskā Atomenerģijas aģentūra uzskata par pieņemamu ilgtermiņa izturībai. Šo bloku ražošanas metode nodrošina aptuveni 40% lielāku aizsardzību pret starojuma bojājumiem salīdzinājumā ar pašlaik atomelektrostacijās izmantotajiem parastajiem aizsargmateriāliem. To apstiprina dažādi eksperimenti, kuros pētīts, cik labi dažādi materiāli panes siltumu jaunās paaudzes kodolreaktoros, kas tiek attīstīti mūsdienās.
Šodien kodolekstacijas sāk izmantot keramikas ķieģeļus, kas sajaukti ar tādām vielām kā boru karbīds, kas absorbē neitronus. Šie jaunie materiāli samazina gama starojuma caurlaidību aptuveni par 62 procentiem salīdzinājumā ar vecākiem variantiem, vienlaikus saglabājot to strukturālo elastīgumu. Skatoties uz reāliem datiem no Eiropas spiediena udens reaktoriem, novēroja arī interesantu faktu. Keramikas ekrani faktiski prasa aptuveni par trīs ceturtdaļām mazāk uzturēšanas darbu salīdzinājumā ar parastajiem betona barjeriem, aplūkojot desmit gadu periodu. Pētnieki šobrīd strādā pie šo materiālu turpmākas uzlabošanas, izmantojot pakāpeniskas blīvuma konstrukcijas. Tas palīdz tiem labāk izturēt termisko triecienu, kas ir īpaši svarīgi jaunākajiem reaktoru dizainiem, kuri darbības laikā piedzīvo pēkšņas temperatūras izmaiņas.
Mūsdienu kodolkeramikas ķieģeļi iegūst labumu no materiālzinātnē un ražošanas tehnoloģijā panāktajiem atklājumiem. Kaut arī tradicionālā sakausēšana joprojām ir pamatā, pievienojošā ražošana (AM) ļauj izveidot sarežģītas ģeometrijas, kuras agrāk nebija iespējams iegūt. 2024. gada pētījums parāda, ka AM metodes izgatavotas keramikas sasniedz 98,5% blīvumu ar uzlabotu starojuma izturību, samazinot neitronu noplūdi par 18% salīdzinājumā ar lietām ekvivalentēm.
Gāzes spiediena sintēze joprojām ir iecienīta metode, lai izgatavotu ļoti blīvas cirkonija karbīda ķieģeļus, kas nepieciešami augstas veiktspējas lietojumprogrammās. Tomēr šobrīd pievienojošā ražošana maina situāciju. Tehnikas, piemēram, saistvielas strūklas apstrāde un stereolitogrāfija, atver iespējas izveidot sarežģītas funkcijas pakāpeniski mainīgas aizsargkomponentes, kuras tradicionālās metodes vienkārši nespēj izgatavot. Arī rādītāji ir diezgan labi — materiālu atkritumu samazinājums var sasniegt 30 līdz 40 procentus, kas ir būtisks sasniegums, strādājot ar dārgiem materiāliem. Un dimensiju precizitāte? Pēdējos pētījumos, kas publicēti „Journal of Materials Research“, norādīts aptuveni 50 mikrometri. Nav brīnums, ka aizvien vairāk ražotāju sāk pievērst uzmanību šīm jaunajām metodēm.
Neskatoties uz progresu, plaša izplatība saskaras ar šķēršļiem:
Alumīnija oksīda un silīcija karbīda nanokompozīti uzrāda 22% labāku gamma staru vājināšanu pie 2 MeV salīdzinājumā ar monolītiskām keramikām. Iekļaujot 3 svara % bora nitrīda nanocaurules, neitronu uztveres šķērsgriezums palielinās par 40%, nekompromitējot termisko vadītspēju, kas paliek virs 25 W/mK—tas padara šos materiālus par perspektīviem kandidātiem multifunkcionāliem aizsardzības komponentiem.
Polimēru-keramikas hibrīdi, piemēram, epoksīda un bora karbīda kompozīti, sasniedz 80% no svina aizsardzības efektivitātes 30% zemākā masā. Tomēr to termiskais ierobežojums 250°C ierobežo izmantošanu tikai palīgsistēmās, nevis reaktoru serdēs, kur nepieciešama augstāka temperatūras izturība.
Keramikas daļām, ko izmanto kodoliekārtās, jāatbilst stingriem globālajiem drošības standartiem. Saskaņā ar Starptautiskās atomenerģijas aģentūras SSG-37 norādījumiem, aizsargmateriāliem jābūt spējīgiem izturēt starojuma devu virs 100 miljoniem Greja vienībām, pirms parādās jebkādi strukturālas bojājuma simptomi. ASME BPVC-III standartu un ISO 17872:2020 specifikāciju ievērošana palīdz nodrošināt, ka šie materiāli var efektīvi absorbēt neitronus vismaz 85 procentos spiedienpaturīgajos ūdens reaktoros. Pēdējā laikā nozares eksperti ir atjauninājuši savas tehniskās rekomendācijas, iekļaujot nepārtrauktu mazo plaisu uzraudzību jaunāko trešās paaudzes plus (+) iekārtu keramikas komponentos. Šis proaktīvais pieeja ir pierādījusi, ka potenciālo atteikumu skaitu var samazināt aptuveni par 40 līdz 45 procentiem salīdzinājumā ar vecākiem aizsargsistēmu risinājumiem, kas joprojām tiek ekspluatācijā.
Mūsdienu kodolstacijas parasti kombinē keramikas blokus ar izturīgu betonu, kas satur magnetītu (Fe3O4) vai serpentina materiālus, lai izveidotu slāņveida starojuma barjeras. Šī kombinācija darbojas labāk nekā vienkārši tikai keramikas sienas, samazinot gama starus aptuveni par 22%. Tomēr ir viena sarežģīta problēma — keramika un betons karstumā izplešas atšķirīgi. Keramika palielinās aptuveni par 5,8 mikrometriem uz metru katrā Celsija grādā, savukārt betons izplešas vēl vairāk. Tāpēc inženieri starp tiem ievieto speciālas pakāpeniskas cirkonija slāņus. Šie starpslāņi palīdz uzturēt visa konstrukcijas stabilitāti pat tad, ja temperatūra normālā darbības režīmā sasniedz līdz pat 650 grādiem pēc Celsija.
EN
