TRISO түлшний технологи нь цөмийн цахилгаан станцад ашигладаг шаван бөмбөлгүүдийн үндэс болдог. Эдгээр жижиг хэсгүүд нь зөвхөн хэдэн миллиметр хэмжээтэй боловч циликон карбид ба нүүрстөрөгчөөр хийсэн хэд хэдэн хамгаалалтын давхаргатай ураны түлшийг агуулдаг. Энэ нь 1800 градусаас дээш халуунд чиглэгдэх үед ч цацраг идэвхт бодисуудийг гадагш гарахаас саатуулах жижиг агуулах системийн адил зүйл бий болгоно. Цөмийн аюулгүй байдлын хамгийн өндөр байгууллагуудын хийсэн туршилтууд нь TRISO бөмбөлгүүд экстрем нөхцөлд цацраг идэвхт орлуулагчийн ойролцоогоор 99.99 хувийг дотор нь хадгалж чаддаг болохыг харуулсан. Энэ нь одоогийн цөмийн реакторуудын аюулгүй ажиллагааг хангахад маш их ач холбогдолтой бөгөөд инженерүүдийн хувьд хугарал, хайланги үүсэх магадлалын талаар тайван байх боломжийг олгодог.
Шаван хамгаалалтын үр дүнтэй байдлын шалтгаан нь нейтроныг удаашруулах, шингээх, гамма туяаг сулруулах чадвартай давхаргат материалуудын архитектуртай хосолж буйгаас үүдэлтэй:
| Давхаргын материал | Функц | Цацрагийн эсэргүүцлийн зааг |
|---|---|---|
| Цахиур Карбид (SiC) | Үндсэн бүтцийн саатуулга ба нейтроны удаашруулагч | 1,800°C хүртэл |
| Бор-Карбид (B₄C) | Нейтроны шингээлт | 800°C-д тэсвэртэй |
| Вольфрамаар бэхжүүлсэн | Гамма туяаны сулрал | >300 keV фотон энерги |
2023 оны судалгаагаар тунгалагийн цацрагийг гамма цацрагийн нэвтрэлтийг улам бэхтэй ган хамгаалалттай харьцуулахад вольфрам-бисмутын найрлагатай өндөр нягтшилтэй керамик материал нь 80%-иар бууруулдаг. Энэ олон үйлдэл бүхий загвар нь нейтроны болон гамма цацрагийн эсрэг баталгаатай хамгаалалт үзүүлэхийн зэрэгцээ үр дүнтэй дулаан шингээх боломжийг олгодог.
Idaho-ийн Үндэсний Лабораторид судлаачид TRISO суурьтай керамик бөмбөлгүүдийг зогсонгилох нөхцөлд симуляци хийж шалгасан. Тестийн үеэр температур 400 цагийн турш 3,000°F (1,650°C)-аас дээш хүрсэн бөгөөд энэ нь ердийн цөмийн реакторын ажиглагддаг хэвийн хэмжээнээс хамаагүй их байсан. Гамма туяаны шингэлтийн хувь тогтмол 97%-иас дээш байсныг онцлон хэлэх болно. Энэ нь Интернэшнл Атомик Энерджи Агентийн өгүүлснээр керамик хамгаалалтай түлш нь устөрөгчийн исэл түлшний шилбэтэй харьцуулахад аварга том зулзалтын үед цацрагийн ялгарлыг ойролцоогоор 90% хүртэл бууруулдаг гэсэн өгөгдөлтэй сайн тохирч байна. Нөгөө гайхалтай зүйл бол керамик материал радиацид орсноор илүү хатуурсаж, хэрэв хөргөлтийн систем бүрэн гэмтсэн ч чавралтаас илүү ихээр тэсвэртэй болдог явдал юм.
Цахиур ба графит нь керамик бөмбөлгүүдийг термийн болон цацрагийн хувьд тогтвортой байлгахад чухал үүрэг гүйцэтгэдэг. Цахиурын карбид (SiC) нь температур 1600 хэмээс дээш хүрэх үед ч хангалттай хүчтэй байдаг бөгөөд 10^21 n/см²-ээс илүү нейтроны урсгалд өртөх үед ч хялбар бусад задардаггүй. Энэ нь эдгээр материалууд маш хатуу нөхцөлд удаан хугацаагаар ажиллах боломжийг олгодог. Мөн графит нь чиглэлтэй дулаан шилжүүлэх чанараасаа болоод нейтроныг шингээх, дулааныг үр дүнтэй зөөх замаар туслана. Хэрэв энэ хослол байхгүй бол реакторын зүрхэнд аюултай халуун цэгүүд үүсч, ирээдүйд хүндэвтэр асуудалд хүргэж болзошгүй.
Хэрэв цахиурлаг материалуудыг бор-10-оор ачаалвал 10B(n,α)7Li гэсэн урвалын процессийн дараа тэдгээр сөрөг нейтроны 94%-ийг барих чадвартай болдог. Гамма туяаг зогсооход илүү их атомын дугаартай материалууд илүү сайн ажилладаг. Вольфрам болон висмут энд онцлог байр суурь эзэлдэг нь фотозахирлын эффект гэж нэрлэгддэг зүйлээр эдгээр энерги лаазлаг фотонуудыг шингээх чадвар нь маш сайн байдаг. Бор карбидыг вольфрамтай холимог болгон зөвхөн 3 см зузаан нийлмэл материал үүсгэхэд гамма туяаны интенсив байдал бараг тэг болтол, ойролцоогоор 99.8% хүртэл бууруулдаг. Нейтрон болон гамма туяанаас хамгаалах энэ төрлийн хамгаалалтыг 2023 онд Интернэшнл Атомик Энерджи Аженси (IAEA) гаргасан сүүлийн үеийн судалгаанд баталгаажуулсан.
Ti3SiC2 ба Cr2AlC зэрэг нэгдлүүдийг багтаасан MAX фазын керамик гэх материалууд нь металл болон керамикийн шилдэг чанаруудыг хослуулдаг. Эдгээр бодисууд нь хугарах үед маш их хүчтэй байдаг бөгөөд энгийн цахиур карбидтай харьцуулахад ойролцоогоор гурван дахин илүү сайн ажилладаг. Тэдгээрийг илүү сонирхолтой болгож буй зүйл бол саармагжуулагчийг үр дүнтэй зохицуулах чадвар юм. Oak Ridge-ийн Үндэсний Лабораторийн судлаачдын хийсэн судалгаа нь маш гайхамшигтай зүйлийг харуулсан. Хөргөгчийг алдах нөхцөлд эдгээр материалууд 800 градусын температурт гурван хоног тасралтгүй тэсвэрлэж чаддаг. Ийм тэсвэрт чанар нь хайлангийн давс, бусад урьдчилан дэвшилтэт загварын төслүүдийг хамарсан дараагийн үеийн цөмийн реакторууд дээр ажиллаж буй эрдэмтэдийн анхаарлыг татсан.
Ширэмний бөмбөлгүүдийн инженерчилсэн наноструктуртай шүршүүрүүд нь цацраг идэвхит туяаны нөлөөгөөр үүсдэг гелийн хурцхийллийг дарангуйлдаг. Хурдасгасан нас баруулах туршилтууд нь 40 цөмийн реакторын жилийн цацраг идэвхит туяанд өртсний дараа эзлэхүүн нь 0.2%-иас бага өөрчлөгдсөн байна. Дулааны халалтаа тэвчих 8–12% зайг зориуд оруулсан бөгөөд нягт, хамгаалалтын чанарыг алдалгүйгээр урт хугацааны найдвартай ажиллагааг хангана.
TRISO орчимд нүрэлсэн энэ тусгай дөрвөн давхар керамик бүтэц нь бүх зүйлийг маш сайн агуулж байдаг. Жинхэнэ ураны төвийг тойрон буй энэ нэвтрүүлэх чадвартай нүрсний давхарга нь механик болон дулааны стрессийг шингээж, бусад тохиолдолд асуудал үүсгэхээс сэргийлдэг. Хяналтын карбидийн давхаргыг авч үзвэл, энэ бол үндсэн хамгаалалтын систем юм. Энэ нь хамгийн ихдээ 1600 хэмийн температур хүртэл хүрчихээд ч цацраг идэвхит материалуудыг дотор нь 99.9 орчим хувийн үр дүнтэй байлгаж чаддаг. Дараа нь дотоод болон гадаад пиролизийн нүрсний давхаргатай болно. Үүний гол зорилго хоёртой. Эхлээд бүтцийн дэмжлэг үзүүлэх, хоёрт нь ураны төв болон хяналтын карбидийн хооронд гарах хүссэнгүй химийн урвалыг саатуулах явдал юм. Энэ бүх байгууламж нь температур хурдан хурдан өөрчлөгдөх үед ч орчмыг бүхэл бүтэн байлгах боломжийг олгодог.
Хурдасгасан туршилт нь цацрагийн орчны нөхцлийг долоо хоногт дэлхийн бүхэлд нь гарч буй нейтроны нөлөөллийг имитацилж чаддаг. Өндөр нейтроны урсгалын нөхцөлд (10¹n/см²) 10,000 цагийн турш ажилласны дараа TRISO давхаргууд анхны хүч чадлаасаа 98%-иас илүүг хадгалж чаддаг. SiC давхарга бараг нэвтрэх боломжгүй байдалдаа хадгалж, 200 MGy-г давсан гамма туяаны нөлөөлөлд дараа нь нүхлэгийн хэмжээ 0.01%-аас бага байна — энэ нь хугарал үүсэхэд хүргэж болзошгүй микроскопын трещиныг үр дүнтэй саатуулдаг.
Цацрагийг агуулах болон дулаан зохицуулах үйл явцыг тэнцвэржүүлэхийн тулд давхаргын хэмжээсийг нарийвчлан тодорхойлно:
| Давхарга | Зузаан (µm) | Үндсэн үүрэг |
|---|---|---|
| Нүхтэй нүүрстөрөгчийн суурь давхарга | 50–100 | Дулааны стрессыг шингээх |
| Дотоод пиролитик нүүрстөрөгч | 20–40 | Гүрэвч-SiC хоорондын урвалыг саатуулах |
| Silicon Carbide | 30–50 | Хуваагдлын бүтээгдэхүүнийг саатуулах |
| Гадаад пиролитик нүүрстөрөгч | 40–60 | Механик элэгдэлд тэсвэртэй |
Загварчлалын үр дүнгээр SiC давхаргийг 25 мкм-ээс 35 мкм хүртэл нэмэгдүүлэх нь нейтроныг сааруулах чадварыг 60%-иар сайжруулж, цацрагийн зүйл гарах эрсдлийг хамгийн их бууруулдаг.
Үйлдвэрлэгчид одоо ISO 21439:2023 стандартыг дагаж, хатуу хэмжээний нарийвчлал (<0.5% хувьсах хазайлт) пост хангаж байна. Автомжуулсан будагч системүүд 95% үйлдвэрлэлийн гарцыг олж авч, жилд реакторын ачаалалд ноогдох 10 саяас илүү түлшний цөмийг үйлдвэрлэх боломжийг бий болгож байна — энэ нь 2020 оноос хойш 300% сайжралыг харуулж байна. Энэ масштаблах чадвар нь бөмбөгт дохиурын ба хайлангуяа давсны реакторуудад дэлхий даяар тогтвортой чанарыг хангана.
Борын карбид (B4C) нь 10B изотопын хувьд нарийн нейтроны шингээлтийн огтлол нь ойролцоогоор 3,840 барн байх тул нейтроныг удирдахад гол үүрэг гүйцэтгэдэг. Эрдэсийн бөмбөлгүүдийг ойролцоогоор 15% борын карбид агуулж туршсанаар нейтроны урсгал бараг 92%-иар буурсан нь маш их итгэл үүсгэсэн. Гэсэн хэдий ч янз бүрийн энерги болон түвшинд ажиллах нь жинхэнэ зорилт юм. Иймээс орчин үеийн материалууд энд олон тохиолдолд эпитетермаль нейтроныг зориулан ялангуяа гадоллинийн оксид (Gd2O3)-ийг холимог болгон хэрэглэх бол быстралсан нейтроныг илүү сайн шингээхийн тулд гафнийн дикарбид (HfB2)-ийг нэмдэг. Эдгээр хослолууд нь ерөнхийдөө 2 МэВ орчмын энергит 8-12 см⁻¹ хооронд шингээлтийн хурдтай байдаг тул хуучин шийдлүүдээс илүү олон талт байдаг.
| Материал | Нейтроны энергийн хязгаар | Шингээлтийн үр дүнт чадвар (см⁻¹) |
|---|---|---|
| Борын карбид | Дулааны (0.025 эВ-с бага) | 10.2 |
| Гадоллинийн оксид | Эпитетермаль (1–100 эВ) | 7.8 |
| Хафнийн дуборид | Хурдан (>1 МэВ) | 3.4 |
Гамма туяаныг хамгаалахын тулд үйлдвэрлэгчид ихэвчлэн вольфрамын карбид эсвэл висмутын триоксид шиг хүнд материалуудыг ашигладаг. Эзлэх хэмжээ нь ойролцоогоор 30 хувь вольфрамын карбид агуулсан 10 мм зузааны керамик бронзийг авч үзье. Ийм бүтэц нь 1.33 МэВ орчим энергийн түвшинд гамма туяаг ойролцоогоор 85 хувиар бууруулдаг. Энэ нь харимхай хамгаалалтаас гарах эрүүл мэндийн эрсдэлийг үүсгэдэг харимхай бронзын хамгаалалттай ижил үр дүнгээр хангана. Висмутад суурилсан сонголтуудын туяаныг блоклох чадаврыг граммд ноогдох квадрат сантиметрээр 0.12-0.18 хооронд хэмждэг. Эдгээр шинж чанарууд нь зай хязгаарлагдмал бөгөөд аюулгүй байдлын стандартыг зэрэг хангах шаардлагатай үед висмутын керамикийг онцгойлох боломжийг олгодог.
B₄C, WC болон SiC-ийг нэгтгэсэн загварчлал нь олон талт сааруулгыг бий болгодог. Жишээ нь, гурвалсан бүтэц (B₄C/WC/SiC) нь 1,600°C хүртэлх ажиллагааны температуртай үед нейтроны шингээлтийг 99%-иас дээш, гамма туяаг 80% хүртэл сулруулдаг бөгөөд цорын ганц системд нэг дор хамгаалалтыг нэгтгэж өгдөг.
Керамик хальс нь авиян дээрх цези-137 шиг задралын бүтээгдэхүүнүүдийг авиян үед ч хадгалагдахыг хангана. TRISO бөөмсийн SiC давхарга нь 1,800°C температурт радиоидэвтэй бодисын 99.996%-ийг хадгалж чаддаг бөгөөд 2023 онд ИАЕА-ын хийсэн стресс-тестээр баталгаажсан. Энэхүү идэвхгүй хадгалалт нь гадны хөргөлт эсвэл хүний оролцоотой хамаарлыг багасгаж, цөмийн реакторын тэсвэрт чадлыг ихэд сайжруулдаг.
HTGR-ууд маш их температур, ихэвчлэн 1,600 хэм Целсиусаас дээш ажилладаг боловч тэдгээрт ашигладаг керамик бөмбөлгүүд TRISO орчим материалтайгаар онцлог байдлаар зохион байгуулсан тул гэмтэлгүй хадгалагддаг. Эдгээр материалыг ийм найдвартай болгож буй зүйл бол 3,000 Фаренгейтээс дээш температурыг задлахгүй тэсвэрлэх чадвартай цахиур карбидын давхарга юм. Энэ нь станцын ажилтнууд хянаж байхгүй эсвэл цахилгааны доголдол гарсан тохиолдолд ч бас реактор өөрөө шахалтаар хөргөгдөж чадна гэсэн үг юм. IAEA зэрэг байгууллагын судалгаа энэ мэдэгдэхүйц аюулгүй байдлын давуу талыг зааж өгсөн бөгөөд ийм төрлийн реакторууд цахилгаангүй урт хугацааг туулж чаддагийг харуулсан. Инженерүүд хамгийн муу тохиолдлуудыг загварчилж симуляци хийх үед ийм нэг гайхамшигт зүйлийг олж хардаг: ижил нөхцөлд ердийн түлшний савруудтай харьцуулахад керамик түлш нь хүнд хоруу цацрагийн бодисуудын гадагш ялгарлыг ойролцоогоор 98 хувиар илүү сайн саатуулдаг. Ийм ажиллагаа нь цахилгаан станцын ажилтнуудад авчрах аюул, гамшигийн эрсдэлийг хамаагүй багасгаж, илүү их аюулгүй байдлыг хангаж өгдөг.
Уламжлалт уранийн исэл пеллетүүд нь стресстэй үед хагарч болох хамгаалах давхаргатай байдаг бол, керамик бөмбөлгүүд түлшний материалдаа цацрагийн гэмтэлд тэсвэртэй олон давхар хамгаалалтын давхаргад багтаасан байдаг. Оук Риджийн Үндэсний Лабораторийн хийсэн шалгуурууд энэхүү шинэ загварын тусламжтайгаар хуучин арга замаас харьцуулахад цөмийн урвалын үед үүсэх аюултай зүйлсийг бараг 90%-иар бууруулж чаддаг гэдгийг баталж өгсөн. Керамикийн технологийн өөр нэг том давуу тал бол устай харилцаж буй хандлага юм. Керамик нь устай идэвхгүй учраас цөмийн реакторын аварийн үед экспонентциал устөрөгчийн хий үүсэх магадлал маш бага байдаг. Энэ нь ийм төрлийн устөрөгчийн хий цуглах асуудал ихээхэн анхаарал татах болсон конвенционал хөнгөн усны реакторын загваруудаас илүү аюулгүй байдлыг хангана.
АНУ, Хятад, Франц зэрэг арван таваас дээш орнууд дараагийн үеийн цөмийн реакторын технологийнхаа хувьд ширэмэн түлшний системийг хөгжүүлэх ажилдаа оролцож байна. Өнгөрсөн жилийн Ерөнхий цөмийн нийгэмсэлээс гаргасан мэдээллээр, өндөр температуртай хийгээр хөргөгдөх, ширэмэн бөмбөлөг ашигладаг реакторууд 2030-иад оны дунд үеэр дэлхийн цөмийн цахилгааны нийт бүтээгдэхүүний ойролцоогоор арван хоёр хувийг эзлэх боломжтой юм. Одоо явагдаж буй стандартчлалын ажлууд нь ирэх хэдэн жилийн турш TRISO үйлдвэрлэлийн зардлыг бараг хагасаар бууруулах зорилготой байна. Энэ зардал буурах нь олон компани одоо туршиж байгаа жижиг модуль, түүнээс ч жижиг микрореакторын загваруудад ч гэсэн илүү дэвшилтэт түлшүүдийг суурилуулахад илүү хялбар болгох болно.
EN
