न्यूक्लियर पॉवर अर्जितांमध्ये वापरल्या जाणाऱ्या या सिरॅमिक गोळ्यांचे आधारभूत तंत्रज्ञान म्हणजे ट्रायसो इंधन तंत्रज्ञान. ही लहान कण फक्त काही मिलिमीटर इतकी मोजमापे असतात, परंतु त्यांच्यात सिलिकॉन कार्बाइड आणि कार्बनपासून बनलेल्या अनेक संरक्षक थरांमध्ये म्हशीचे इंधन लपवलेले असते. यामुळे 1800 डिग्री सेल्सिअसपेक्षा जास्त तापमानाला सुद्धा रेडिओधर्मी पदार्थ बाहेर पडण्यापासून रोखणारी एक प्रकारची मिनी कंटेनमेंट प्रणाली तयार होते. शीर्ष न्यूक्लियर सुरक्षा संस्थांद्वारे केलेल्या चाचण्यांमध्ये असे दिसून आले आहे की अत्यंत तीव्र परिस्थितीतही या ट्रायसो कणांमध्ये रेडिओधर्मी उपउत्पादनांपैकी सुमारे 99.99 टक्के आत राहतात. यामुळे आजच्या रिअॅक्टर्समध्ये सुरक्षित प्रक्रियेसाठी त्यांचे महत्त्व अत्यंत जास्त आहे आणि संभाव्य गळती किंवा अपयशाबद्दल अभियंत्यांना शांतता मिळते.
न्यूट्रॉन मंदन, शोषण आणि गामा क्षीणीकरण यांच्या संयोगामुळे तयार होणाऱ्या थरदार सामग्रीच्या संरचनेमुळे सिरॅमिक शिल्डिंगची प्रभावीता निर्माण होते:
| थर सामग्री | फंक्शन | तळणूक प्रतिकारस्थर |
|---|---|---|
| सिलिकॉन कार्बाइड (SiC) | प्राथमिक संरचनात्मक अवरोधक आणि न्यूट्रॉन मंदक | 1,800°C पर्यंत |
| बोरॉन-कार्बाइड (B₄C) | न्यूट्रॉन शोषण | 800°C सतत |
| टंगस्टन-मजबूतीकृत | गामा किरण कमी होणे | >300 keV फोटॉन ऊर्जा |
2023 च्या अभ्यासानुसार, पारंपारिक स्टील शिल्डिंगच्या तुलनेत टंग्स्टन-बिस्मथ संयुगे असलेल्या उच्च-घनतेच्या सिरॅमिक्स गामा विकिरणाच्या प्रवेशास 80% पर्यंत कमी करतात. हे बहुउद्देशीय डिझाइन न्यूट्रॉन आणि गामा विकिरण दोन्हींपासून मजबूत संरक्षण प्रदान करताना कार्यक्षम उष्णता विलय करण्यास सक्षम असते.
आयडाहो नॅशनल लॅबोरेटरीमध्ये, संशोधकांनी नाटकी प्रकाशनाच्या परिस्थितीत TRISO-आधारित सिरॅमिक चेंडूच्या कामगिरीची चाचणी घेतली. ह्या चाचण्यांमध्ये 400 तासांपेक्षा जास्त वेळ 3,000°F (1,650°C) पेक्षा जास्त तापमानाला सामोरे जावे लागले, जे सामान्यतः रिअक्टर्स अनुभवतात त्यापेक्षा खूपच जास्त आहे. यात लक्ष वेधून घेणारी बाब म्हणजे गामा किरणांचे अस्तित्व सातत्याने 97% पेक्षा जास्त राहिले. हे आंतरराष्ट्रीय अणुऊर्जा एजन्सीच्या माहितीशी छान जुळते, ज्यामध्ये असे नमूद केले आहे की पारंपारिक युरेनियम ऑक्साइड इंधन कांड्यांच्या तुलनेत अपघातांच्या वेळी सिरॅमिक ढाल असलेले इंधन रेडिओधर्मी सोडणूक सुमारे 90% ने कमी करू शकते. एक आणखी मनोरंजक बाब म्हणजे विकिरणांच्या प्रहारामुळे सिरॅमिकचे अंतर्गत घनत्व वाढते, ज्यामुळे थंडगार प्रणाली पूर्णपणे अपयशी ठरली तरीही ते वितळण्यास खूप जास्त प्रतिरोधक बनते.
सिलिकॉन कार्बाइड (SiC) आणि ग्रॅफाइट यांची सिरॅमिक चेंडूंची थर्मल आणि रेडिओलॉजिकल स्थिरता राखण्यात महत्त्वाची भूमिका असते. 1600 अंश सेल्सिअसपेक्षा जास्त तापमानातही SiC घटक मजबूत राहतो आणि 10^21 n प्रति चौरस सेंटीमीटरपेक्षा जास्त न्यूट्रॉन प्रवाहांना तो लवकर तुटत नाही. याचा अर्थ असा की ही सामग्री खूप कठोर परिस्थितींमध्ये खूप काळ टिकू शकते. ग्रॅफाइटही त्याच वेळी मदत करते, कारण त्याच्या दिशात्मक उष्णता स्थानांतरण गुणधर्मांमुळे ते न्यूट्रॉन्सचे शोषण करते आणि उष्णता प्रभावीपणे दूर करते. या संयोगाशिवाय, रिअॅक्टर कोअरमध्ये धोकादायक हॉट स्पॉट्स तयार होतील, ज्यामुळे नंतर गंभीर समस्या निर्माण होऊ शकतात.
जेव्हा सेरॅमिक सामग्रीवर बोरॉन-10 चा भार असतो, तेव्हा ते 10B(n,α)7Li प्रतिक्रिया प्रक्रियेद्वारे त्या त्रासदायक थर्मल न्यूट्रॉन्सपैकी सुमारे 94% पकडू शकतात. गामा किरण थांबवण्याच्या बाबतीत, उच्च अणुक्रमांक असलेल्या सामग्री सर्वोत्तम कार्य करतात. टंगस्टन आणि बिस्मथ येथे उभे राहतात कारण फोटोइलेक्ट्रिक परिणाम नावाच्या काही गोष्टीद्वारे हे ऊर्जावान फोटॉन्स ग्रहण करण्यात खरोखरच उत्कृष्ट असतात. बोरॉन कार्बाइड आणि टंगस्टन मिसळून फक्त 3 सेंटीमीटर जाड असलेली संयुगे सामग्री तयार केल्यास गामा विकिरणाची तीव्रता जवळजवळ शून्यापर्यंत कमी होते—सुमारे 99.8% कमी होते. न्यूट्रॉन आणि गामा विकिरण या दोन्ही विरुद्ध ही संरक्षणाची पातळी चाचण्यांमध्ये पुष्टी करण्यात आली आहे, ज्यामध्ये 2023 मध्ये इंटरनॅशनल अॅटॉमिक एनर्जी एजन्सीद्वारे प्रकाशित केलेल्या अलीकडील शोधांचा समावेश आहे.
Ti3SiC2 आणि Cr2AlC सारख्या संयुगांचा समावेश असलेल्या मॅक्स फेज सेरॅमिक्स म्हणून ओळखल्या जाणाऱ्या सामग्रीमध्ये धातू आणि सेरॅमिक्स यांच्या सर्वोत्तम गुणांचे मिश्रण असते. या पदार्थांमध्ये तुटण्याच्या बाबतीत उल्लेखनीय बल असते, ज्यामुळे ते सामान्य सिलिकॉन कार्बाइडच्या तुलनेत जवळपास तीन पट चांगले कामगिरी दर्शवितात. त्यांना अधिक रोचक बनवणारी गोष्ट म्हणजे त्यांची न्यूट्रॉन्सचे प्रभावीपणे नियमन करण्याची क्षमता. ओक रिज नॅशनल लॅबोरेटरीतील संशोधकांनी केलेल्या अभ्यासात एक अतिशय आश्चर्यकारक गोष्ट दिसून आली आहे. जेव्हा कूलंटचा तोटा होणार्या परिस्थितीला सामोरे जावे लागते, तेव्हा हे पदार्थ 800 डिग्री सेल्सिअसपर्यंतच्या तापमानात लागोपाठ तीन दिवसांपेक्षा जास्त काळ टिकून राहतात. वितळलेल्या मीठ आणि इतर अत्याधुनिक डिझाइन संकल्पनांचा समावेश असलेल्या पुढील पिढीच्या अणुरिअक्टरवर काम करणाऱ्या शास्त्रज्ञांचे या प्रकारच्या टिकाऊपणाकडे लक्ष वेधले आहे.
सिरॅमिक चेंडूंमधील अभियांत्रिकी स्वरूपातील नॅनोस्ट्रक्चर्ड धान्य सीमा ही हीलियम बुडबुडे तयार होण्यास प्रतिबंध करतात—जे विकिरण-उत्पन्न सूज कारण आहे. गतिमान वयाच्या चाचण्यांमध्ये 40 रिअॅक्टर वर्षांच्या बरोबरीच्या उघडपणानंतर 0.2% पेक्षा कमी आयतनातील बदल दिसून आला. 8–12% ची जाणीवपूर्वक घेतलेली छिद्रता घनता किंवा संरक्षण कामगिरी भंग न करता उष्णतेच्या प्रसारासाठी जागा उपलब्ध करून देते, ज्यामुळे दीर्घकालीन विश्वासार्हता सुनिश्चित होते.
ट्रायसो कणांमध्ये समावेशित ठेवण्यासाठी खरोखरच उत्कृष्ट अशी चार-थरांची सेरॅमिक डिझाइन असते. वास्तविक युरेनियम कोअरभोवती हा छिद्रयुक्त कार्बन बफर असतो, जो यांत्रिक आणि उष्णतेच्या ताणाचे शोषण करतो ज्यामुळे अन्यथा समस्या निर्माण होऊ शकतात. आता सिलिकॉन कार्बाइड थराकडे पाहिल्यास, हे मूलत: येथे मुख्य संरक्षण प्रणाली आहे. घडते ते असे की 1600 अंश सेल्सिअसपर्यंत तापमान गेले तरीही त्याची प्रभावक्षमता 99.9 टक्क्यांपेक्षा जास्त असते आणि त्यात रेडिओधर्मी पदार्थ आत राहतात. नंतर आपल्याला आतील आणि बाहेरील पायरोलिटिक कार्बन थरांपर्यंत पोहोचता येते. त्यांच्या दोन मुख्य कामे आहेत. प्रथम, ते संरचनात्मक समर्थन प्रदान करतात आणि दुसरे, ते युरेनियम कोअर आणि सिलिकॉन कार्बाइड थर यांच्यात अनिच्छित रासायनिक प्रतिक्रिया होण्यास रोखतात. ही संपूर्ण रचना कणांना तापमानात लवकर आणि पुढे-मागे बदल झाला तरीही अबाधित राहण्याची खात्री देते.
त्वरित चाचणीमध्ये आठवड्यांतच दशकांच्या न्यूट्रॉन उघडपणाचे अनुकरण केले जाते. उच्च-प्रवाह अटींखाली (10¹n/cm²) 10,000 तासांनंतर, TRISO लेप 98% पेक्षा जास्त मूळ बल राखतात. SiC स्तर जवळजवळ अभेद्य राहतो, 200 MGy पेक्षा जास्त गामा डोसला उज्ज्वल झाल्यानंतरही छिद्रता 0.01% पेक्षा कमी असते—प्रभावीपणे लीक होण्याची शक्यता असलेल्या माइक्रोक्रॅक्स पासून रोखते.
किरणोत्सर्ग अंतर्भूत करणे आणि उष्णता व्यवस्थापन यामध्ये संतुलन राखण्यासाठी अचूक स्तर मिती:
| परत | जाडी (µm) | महत्त्वाचे कार्य |
|---|---|---|
| छिद्रयुक्त कार्बन बफर | 50–100 | उष्णतेचा ताण शोषून घ्या |
| आतील पायरोलिटिक कार्बन | 20–40 | कर्नेल-SiC प्रतिक्रिया रोखा |
| सिलिकॉन कार्बाईड | 30–50 | विखंडन उत्पादने अवरोधित करा |
| बाह्य पाइरोलिटिक कार्बन | 40–60 | यांत्रिक अपक्षयाला प्रतिकार करा |
सिमुलेशन्समधून असे दिसून येते की SiC स्तर 25 µm वरून 35 µm पर्यंत वाढवल्याने न्यूट्रॉन अवरोधन 60% ने सुधारते, ज्यामुळे विकिरण गळतीचा धोका लक्षणीयरीत्या कमी होतो.
उत्पादक आता कठोर मिती सहनशीलता (<0.5% विचलन) साध्य करण्यासाठी ISO 21439:2023 मानकांचे अनुसरण करतात. स्वचालित कोटर प्रणाली 95% उत्पादन उपलब्धता प्रदान करतात, ज्यामुळे दर रिअॅक्टर लोडसाठी दरवर्षी 10 दशलक्षापेक्षा जास्त इंधन कर्नेल्सचे उत्पादन होते—जे 2020 पासून 300% च्या सुधारणेचे प्रतिनिधित्व करते. ही प्रमाणबद्धता जगभरातील पेबल-बेड आणि द्रवित-मीठ रिअॅक्टर्समध्ये एकसमान गुणवत्ता सुनिश्चित करते.
बोरॉन कार्बाइड (B4C) न्यूट्रॉन्सचे नियंत्रण करण्यात महत्त्वाची भूमिका बजावते कारण 10B समस्थांकांसाठी त्याचे अवशोषण पार खूप जास्त असते, अगदी सुमारे 3,840 बार्न्स इतके. जेव्हा संशोधकांनी सुमारे 15% बोरॉन कार्बाइड अंतर्गत असलेल्या सेरामिक चेंडूंची चाचणी घेतली, तेव्हा त्यांना न्यूट्रॉन प्रवाहात जवळजवळ 92% इतकी आश्चर्यकारक कमतरता दिसून आली. वास्तविक आव्हान वेगवेगळ्या ऊर्जा पातळ्यांशी व्यवहार करताना येते. त्यामुळे आधुनिक सामग्रीत अनेंद्रीय न्यूट्रॉन्ससाठी विशेषत: गॅडोलिनियम ऑक्साइड (Gd2O3) मिसळले जाते, तर जलद गतीने धावणाऱ्या न्यूट्रॉन्ससाठी हॅफ्नियम डायबोराइड (HfB2) अधिक प्रभावीपणे कार्य करते. ही संयोजने सामान्यतः 2 MeV च्या सुमारास ऊर्जेवर 8 ते 12 cm⁻¹ च्या दरमध्ये क्षीणन साध्य करतात, ज्यामुळे ती जुन्या उपायांपेक्षा खूप अधिक बहुमुखी बनतात.
| साहित्य | न्यूट्रॉन ऊर्जा श्रेणी | अवशोषण कार्यक्षमता (cm⁻¹) |
|---|---|---|
| बोरॉन-कार्बाइड | थर्मल (<0.025 eV) | 10.2 |
| गॅडोलिनियम ऑक्साइड | एपिथर्मल (1–100 eV) | 7.8 |
| हॅफ्नियम डायबोराइड | फास्ट (>1 MeV) | 3.4 |
गामा विकिरण संरक्षणासाठी, उत्पादक अक्सर टंगस्टन कार्बाइड किंवा बिस्मथ ट्रायऑक्साइड सारख्या जड सामग्रीचा आधार घेतात. 30 टक्के टंगस्टन कार्बाइड असलेल्या सुमारे 10 मिमी जाड एका सिरॅमिक शील्डचा विचार करा. 1.33 MeV इतक्या ऊर्जा पातळीचा सामना करताना ही सेटअप सुमारे 85 टक्के गामा किरणांना अवरोधित करते. त्याप्रमाणे कामगिरी आपणास पारंपारिक शीस संरक्षणापासून मिळते, परंतु शीस उघड झाल्यामुळे होणाऱ्या आरोग्य धोक्यांशिवाय. जेव्हा बिस्मथ-आधारित पर्यायांकडे पाहिले जाते, तेव्हा विकिरण अवरोधित करण्याची त्यांची क्षमता 0.12 ते 0.18 चौरस सेंटीमीटर प्रति ग्रॅम दरम्यान मोजली जाते. हे गुणधर्म बिस्मथ सिरॅमिक्स विशेषत: अंतराच्या बाबतीत आणि सुरक्षा मानदंड एकाच वेळी पूर्ण करण्यासाठी चांगल्या पर्याय बनवतात.
B₄C, WC आणि SiC यांचे एकत्रित केलेले डिझाइन बहुउद्देशीय अडथळे निर्माण करतात. उदाहरणार्थ, ट्रिपलेक्स संरचना (B₄C/WC/SiC) 1,600°C पर्यंतच्या कार्यातील तापमानावर 99% पेक्षा जास्त न्यूट्रॉन अवशोषण आणि 80% गामा क्षीणन साध्य करते, ज्यामुळे एकाच प्रणालीत संपूर्ण संरक्षण मिळते.
सेरॅमिक संवरण अपघाताच्या परिस्थितीत सीझियम-137 सारख्या विखंडन उत्पादनांचे संरक्षण सुनिश्चित करते. TRISO कणांमधील SiC लेप 1,800°C वर 99.996% रेडिओन्यूक्लाइड्स धारण करते, जे 2023 मध्ये IAEA च्या तणावाच्या चाचण्यांद्वारे दृढ करण्यात आले आहे. हे निष्क्रिय संरक्षण बाह्य थंडगार किंवा मानवी हस्तक्षेपावर अवलंबून राहणे टाळते, ज्यामुळे रिअॅक्टरची प्रतिकारक क्षमता खूप सुधारते.
HTGR अत्यंत उच्च तापमानावर कार्य करतात, बहुधा 1,600 डिग्री सेल्सिअसपेक्षा जास्त, तरीही तेथे वापरल्या जाणाऱ्या सिरॅमिक चेंडू त्यांच्या विशेष TRISO कण डिझाइनमुळे अबाधित राहतात. या सामग्रीच्या विश्वासार्हतेचे कारण म्हणजे सिलिकॉन कार्बाइडचे आवरण जे 3,000 फॅरनहाइटपेक्षा जास्त तापमान सहन करू शकते आणि विघटित होत नाही. याचा अर्थ असा की प्रतिक्रियादर्शक स्वत: नैसर्गिकरित्या थंड होऊ शकतो, जेव्हा कोणीही निरीक्षण करत नसेल किंवा विजेची कतार आल्यासही. IAEA सारख्या संस्थांच्या संशोधनाने या अंतर्निहित सुरक्षा फायद्याकडे लक्ष वेधले आहे, ज्यामुळे या प्रतिक्रियादर्शकांना विजेशिवाय दीर्घ काळ सुरक्षितपणे टिकून राहता येते हे दर्शविले आहे. अभियंते अत्यंत वाईट परिस्थितीचे अनुकरण करतात तेव्हा त्यांना एक अद्भुत गोष्ट देखील आढळते: सिरॅमिक इंधन सामान्य इंधन काठीपेक्षा समान परिस्थितीत रेडिओधर्मी सामग्रीच्या निसटण्यास अंदाजे 98 टक्के अधिक प्रमाणात रोखतात. अशा कामगिरीमुळे सुविधांवर अपघातापासून सुरक्षितता असल्याचे जाणून उत्पादन ऑपरेटर्सना शांतता मिळते.
पारंपारिक युरेनियम ऑक्साइड गोळ्या आवरणावर अवलंबून असतात जे ताणाखाली फुटू शकतात, तर सिरॅमिक चेंडू इंधन सामग्रीला विकिरण नुकसानापासून प्रतिरोधक असलेल्या अनेक संरक्षक थरांमध्ये गुंडाळतात. ओक रिज नॅशनल लॅबोरेटरीत केलेल्या चाचण्यांनी हे समर्थन केले आहे, ज्यात दाखवले गेले आहे की नवीन डिझाइनच्या तुलनेत जुन्या पद्धतींच्या तुलनेत अणु प्रतिक्रियांमधून होणाऱ्या धोकादायक गळती कमीतकमी 90% ने कमी होते. सिरॅमिक तंत्रज्ञानाचे एक मोठे फायदे म्हणजे पाण्याशी त्याची अभिक्रिया. सिरॅमिकची पाण्याशी इतकी तीव्र अभिक्रिया नसल्याने, रिअॅक्टर अपघातात काहीतरी चुकल्यास स्फोटक हायड्रोजन वायू तयार होण्याची शक्यता बरीच कमी असते. यामुळे सामान्य लाइट वॉटर रिअॅक्टर डिझाइनपेक्षा ते खूप सुरक्षित असतात, जेथे अशा हायड्रोजनच्या गोळाबेरीजेची चिंता मोठी असते.
यूनायटेड स्टेट्स, चीन आणि फ्रान्ससह पंधरा पेक्षा जास्त राष्ट्रांनी त्यांच्या पुढील पिढीच्या रिअॅक्टर तंत्रज्ञानासाठी सेरामिक इंधन प्रणाली विकसित करण्यास सुरुवात केली आहे. गेल्या वर्षी वर्ल्ड न्यूक्लिअर असोसिएशनकडून प्रकाशित झालेल्या माहितीनुसार, उच्च तापमान वायूद्वारे थंड केलेले आणि सेरामिक चेंडू वापरणारे रिअॅक्टर 2030 च्या मध्यापर्यंत जगभरातील सर्व अणुऊर्जेच्या जवळपास बारा टक्के भाग असू शकतात. सध्या चालू असलेल्या मानकीकरण प्रयत्नांमधून पुढील काही वर्षांत TRISO उत्पादन खर्च जवळपास निम्मा कमी करण्याची अपेक्षा आहे. ही खर्चातील कपात अनेक कंपन्या आता प्रयोग करीत असलेल्या लहान मॉड्यूलर रिअॅक्टर आणि आणखी छोट्या मायक्रोरिअॅक्टर डिझाइनमध्ये या प्रगत इंधनाच्या तैनातीसाठी ते अधिक प्रवेशयोग्य बनवेल.
EN
