Цөмийн цахилгаан станцад ашигладаг керамик тусгаарлагчид нь цацраг идэвхит туяаны эсрэг тэсвэрт чадвар сайтай бөгөөд температур ихсэх үед ч тогтвортой байдлаа хадгалдаг тул чухал агуулах үүрэг гүйцэтгэдэг. Эдгээр тусгаарлагчид нь цирконийн карбидыг цахиур болон карбидын бэхжүүлэлттэйгээр хийдэг бөгөөд онол ёсны нягтралын ойролцоогоор 98% -ийг эзэлдэг материал үүсгэдэг. Энэ шиг нягт бүтэц нь цацраг идэвхит туяа гарах хязгаарлагдмал зай үлдээдэг. Ойролцоогоор 1000 хэмийн цэг дээр сейтрон туяанд өртөх үед эдгээр тусгаарлагчид эзлэхүүнийхээ 0.5%-аас бага хэмжээгээр тэлдэг. Энэ нь хугацаа өнгөрөх тутам деформацид орж, трещин үүсдэг ердийн бетонгоос хамаагүй илүү сайн үзүүлэлт юм. Цахилгаан станцын үйлчилгээний аюулгүй байдлын заагийг хэдэн арван жил хадгалах зүйлд анхааралтай ажиллуулагчид энэ шиг бүтцийн тогтвортой байдал маш чухал.
Шахсан усны реакторуудад (PWR) керамик тусгаарлагчид маш хүнд нөхцөлд гурван гол үүргийг гүйцэтгэдэг:
Эдгээр үйл функцийг материал 1200°C температурт 200 МРа-аас дээш хандан авч чаддаг чадвар нь хангаж өгдөг—энэ захисгийг ихэнх ган хайлш нарийвчлал хүрэх боломжгүй.
Цөмийн хэрэглээнд зориулсан керамик материалаас нейтроныг үр дүнтэй шингээхийн тулд термийн нейтроныг шингээх маш өндөр огтлолцоо буюу ойролцоогоор 3837 барны шинж чанартай бор-10 изотопыг агуулдаг. Мөн эдгээр керамик материал 3 МэВ-с доош энергитэй үед фотозахиргааны эффект гэж нэрлэгддэг үзэгдлээр гамма туяаг блоклоход туслах вольфрамын жижиг хэсгүүдийг агуулдаг. Өнгөрсөн жил гаргасан судалгаагаар ийм керамик төмсөнөөс бүтсэн, ойролцоогоор 30 см зузаан хана нь хурдан нейтроны урсгалыг бараг 92 хувь хүртэл бууруулж чаддаг. Энэ нь зөвхөн тойрлогчид 78 хувь бууруулах чадвартай харилцангуй төстэй харцангийн хананаас илүү сайн үр дүнтэй юм. Эдгээр төмс нь хоёр төрлийн цацрагийг ийнхүү сайн удирддаг тул шинээр ашиглалтанд орох цөмийн реакторын загваруудад жижиг, гэхдээ хангалттай үр дүнтэй цацрагийн хамгаалалтын шийдлийг бий болгоход бүр ихээр чухал болох болсон.
Сийрэгжүүлэх шинэ аргууд нь бөөмийн зэрэглэлийн керамикийг рчлөх хил дээр инженерчлэлийг хослуулснаар таталтын хүчний туршид 600 МPа-г давсан. Цахиур карбид цирконий диборидын хольцуудад энэ нь уламжлалт цайрын материалын харьцаагаар ойролцоогоор 40-60 хувийн илүү их хугарлын эсэргүүцэл үзүүлдэг. Эдгээр керамик ялангуяа 15-д нь нейтроны цохилтонд өртөх үед ч гэсэн хэлбэрээ хадгалдаг чадвараараа онцлогтой. Ийм тогтвортой байдал нь дөрвөн аравтын турш тасралтгүй ажиллахуйц байдлаар барьсан цахилгаан станцын доторх ионжуулах туяанд арван жилийн турш ажиллах шаардлагатай реакторын хэсгүүдийн хувьд маш чухал.
Хэт өндөр температуртай керамик (UHTC) материал гэж нэрлэгддэг материалууд нь гадаргуугаар хамгаалах исэлтийн давхаргыг үүсгэдэг, Кельвинд ойролцоогоор 4.5 дахин 10-6 зэргийн бага дулааны задралын хурдтай, татварын торон бүтэц дэх дутагдал харамгүй бүтцийн бүрэн байдал хадгалдаг тул 2000 хэм Целсиус хүртэлх урвалжны нөхцөлд амьдарч чаддаг. Тухайлбал, хафнийн карбидын хувьд эдгээр материалууд 300-аас 1800 хэм Целсиус хүртэлх 500 халах, хөргөх циклд дараа томъёо 2 хувиар хэмжээний өөрчлөлттэй байдаг. Энэ нь лабораторийн хурдан нас баруулах нөхцөлд шалгах үед илүү энгийн графитаас ойролцоогоор найман дахин илүү найдвартай байдаг гэсэн үг юм.
Доорх хүснэгт нь ердийн керамик материалиудын сейтрон хаалтлагын үзүүлэлтийг харьцуулж үзүүлсэн байна:
| Материал | Сейтрон бууруулалт (MeV муж) | Гамма туяа блоклох | Ажиллагааны амьдралын хугацаа |
|---|---|---|---|
| Борын Карбид | 0.025–14 (дулаан-хурдан) | Дунд шатны | 1520 жил |
| Хафнийн дуборид | 0.1–10 (дундаж-хурдан) | Их | 25+ жил |
| Тунгстен карбид | 1–14 (хурдан сейтроны) | Хамгийн их | 12–15 жил |
Нэмэгдэх хэв загварчлалын сүүлийн үеийн амжилтууд нь эдгээр материалуудын давуу талуудыг нэгтгэсэн, монолитик дизайнтэй харьцуулахад деталь бүрийн жинг 22–35% хүртэл багасгаж болох давхар бүтэцтэй хамгаалалтын системийг боломжруулдаг. Энэхүү инноваци нь III+ үеийн цөмийн реакторын загваруудад ажиглагдсан бат бөх чанарын дутагдалд шууд хандах бөгөөд урт хугацааны аюулгүй байдал, үйл ажиллагааг хангана.
18 даралттай усны реакторын нэгж дээр хийсэн шалгалтууд нь эдгээр тусгай цөмийн керамик төмс ядаж таван жил дараалан хүчтэй нейтроны туяа гаралтанд орсны дараа анхны хүч чадлын ойролцоогоор 98%-ийг хадгалж байгааг харуулсан. Ойролцоогоор 650 градус Цельсийн хэмд хэт температурын хувьсах нөхцөлд 12,000 цагийн турш жижиг трещин үүсэхгүй амьдардаг бөгөөд энэ нь Боловсон Атомын Энергийн Олон Улсын Агентлагийн урт хугацааны тэсвэрт чадалд тавьж буй стандартыг 15%-иар давамгайлдаг. Эдгээр төмсийг үйлдвэрлэх арга нь цахилгаан станцуудад одоо ашигладаг ердийн хамгаалалтын материалуудтай харьцуулахад цацрагийн эсрэг ойролцоогоор 40%-иар илүү хамгаалалт өгдөг. Ийм дүгнэлт нь орчин үеийн хөгжих болзошгүй шинэ төрлийн цөмийн реакторуудад материалуудын дулаан тэсвэрт чадлыг судалсан янз бүрийн туршилтаар баталгаажсан.
Орчин үеийн цөмийн станцууд нейтроныг шингээх борын карбид зэрэг бодисуудыг холимоглуулсан керамик төмс ашиглах болсон. Эдгээр шинэ материалын тусламжтайгаар гамма туяаны нэвтрэлтийг хуучин хувилбаруудтай харьцуулахад ойролцоогоор 62 хувиар бууруулж чадаж байна. Ингэсэн хэдий ч тэдгээрийн бүтцийн уян хатан чанар хадгалагдаж байдаг. Европын даралт ихтэй усны реакторуудаас цуглуулсан бодит өгөгдлүүдийг судлахад сонирхолтой зүйл гарч ирсэн. Керамик хамгаалалт нь ердийн бетоноос ялгагдах бөгөөд арав жилийн хугацаанд ойролцоогоор дөрвөн хуваагчийн гурвын хэмжээгээр бага засвар үйлчилгээтэй байдаг. Судлаачид одоогоор эдгээр материалыг нягтралын зэргээр давхардуулан загварчлах замаар илүү сайжруулах ажилд хичээж байна. Энэ нь термокийн шокийн эсрэг илүү сайн тэсвэртэй байхад тусалдаг бөгөөд үйл ажиллагааны явцад гэнэт температур өөрчлөгдөх шинэ дэлгүүрийн реакторын загваруудад маш чухал ач холбогдолтой.
Орчин үеийн цөмийн керамик тухайн хөгжлийн давуу тал нь материал судлал болон үйлдвэрлэлийн технологийн хувьд шинэ алхам болсон юм. Харин уламжлалт синтерлэх арга нь үндсэн байхад, нэмэлт үйлдвэрлэл (AM) нь өмнө нь боломжгүй байсан нарийн олон талт геометрүүдийг боломжжуулдаг. 2024 оны судалгаагаар нэмэлт үйлдвэрлэлээр гарган авсан керамикууд нь цацрагийн эсэргүүцэл сайжирч, хийцийн ижил төстэй хийцүүдтэй харьцуулахад нейтроны зууралтыг 18%-иар бууруулахад 98,5% нягтралд хүрч чаддаг байна.
Хийн даралтанд спекрлэх арга нь өндөр үзүүлэлттэй хэрэглээнд зориулсан цахилгаан дамжуулагч цирконийн карбидын төмсийг үйлдвэрлэх гол арга зам болон үлдэж байна. Гэсэн хэдий ч нэмэх үйлдвэрлэл нь эдгээр өдий толгойн өөрчлөлтөд оролцож байна. Хоёртын шүүрэлт, стереолитографийн аргууд нь уламжлалт аргаар хийх боломжгүй функциональ зэрэглэлтэй хамгаалах элементүүдийг үйлдвэрлэх боломжийг нээж өгч байна. Тоо мөн сайн харагдаж байна. Материалын алдагдлыг 30-40 хувийн хооронд бууруулах боломжтой бөгөөд энэ нь үнэт материалтай ажиллах үед маш чухал ач холбогдолтой. Хэмжээний нарийвчлал? Саяхан Materials Research сэтгүүлд нийтлэгдсэн судалгааны мэдээллээр 50 микрометр орчим байна. Ийм учраас олон үйлдвэрлэгчид эдгээр шинэ аргачлалыг анхаарч эхэлсэн нь гайхамшиггүй.
Хөгжил байгаа ч гэсэн өргөн хэрэглээнд дараах саад хязгаарууд тулгарч байна:
Алумин-кремний карбидын нано найрлага нь зөөлөн керамикаас 2 МэВ энергит цахилгаан соронзон туяаг шингээх чадварыг 22%-иар сайжруулсан. 3 wt% борын нитридийн нано хоолой нэмснээр нейтроныг барьж буй огтлолын хэмжээ 40%-иар нэмэгдэж, дулаан дамжуулах чадвар 25 Вт/мК-аас доош буухгүй байна — иймд олон үйлдэлийн хамгаалалтын элемент болох боломжийг олгоно.
Эпоксид-борын карбидын найрлагат материал шиг полимер-керамик хольцууд нь харийн хамгаалалтын 80% үр дүнтэй боловч жингээрээ 30%-иар хөнгөвчирсөн байдаг. Гэсэн хэдий ч 250°C хүртэлх температурт тэсвэртэй байдаг тул цөмийн реакторын цөмийн хэсэгт биш харин дээд температурт тэсвэртэй байх шаардлагагүй тусламж системд ашиглахад тохиромжтой.
Цөмийн хэрэглээнд ашигладаг шамотын хэсгүүд нь энхтайвны дэлхийн нийтийн аюулгүй байдлын шаардлагад нийцэх ёстой. Олон улсын цөмийн энерги дахь засгийн газрын СSG-37-ийн зааврын дагуу, хамгаалах материал нь бүтцийн гэмтэл гарахаас өмнө дор хаяж 100 сая Грей (Gray) туяаны тунг тэсвэрлэх чадвартай байх ёстой. ASME BPVC-III стандарт болон ISO 17872:2020 шаардлагад нийцэх нь эдгээр материалын даралттай усны реакторуудад нейтроныг дор хаяж 85 хувийн үр дүнтэй шингээх чадварыг хангахад тусалдаг. Мэргэжилтнүүд сүүлийн үед шинэ Үеийн III+ цахилгаан станцын шамотын элементүүдийн жижигхэн трещиныг тасралтгүй хянах техникийн зөвлөмжийг шинэчилсэн. Энэ идэвхтэй арга зам нь одоо үйл ажиллагаагаа үргэлжлүүлж буй хуучин хамгаалалтын системтэй харьцуулахад боломжит гэмтлийг ойролцоогоор 40-45 хувиар бууруулдаг байна.
Орчин үеийн цөмийн цахилгаан станцууд нь ихэвчлэн магнетит (Fe3O4) эсвэл серпентиний материал агуулсан хүнд бетон болон ширэмний тусгалыг давхарлан барьж, цацрагийн хаалт үүсгэдэг. Энэ хослол нь зөвхөн ширэмний хана ашигласнаас илүү сайн ажиллах бөгөөд гамма туяаг ойролцоогоор 22%-иар бууруулдаг. Гэхдээ нэг асуудал байдаг - халах үед ширэм болон бетон ялгаатай хэмжээгээр тэлэгддэг. Ширэм нь температур 1°C өсөхөд метр тутамдаа ойролцоогоор 5.8 микрометрээр тэлэгддэг бол бетон илүү ихээр тэлэгддэг. Иймээс инженерчлэлийн зүтгэлтэй цирконийн давхаргыг тэдгээрийн хооронд оруулдаг. Эдгээр дундын давхаргууд нь ердийн ажиллагааны үед температур 650°C хүртэл хүрэх үед ч бүх бүтцийн тогтвортой байдлыг хадгалахад тусалдаг.
EN
