रेडिएशन पासून संरक्षण आणि तापमान वाढले तरीही स्थिरता राखण्याच्या अद्भुत क्षमतेमुळे अणुऊर्जा प्रकल्पांमध्ये वापरल्या जाणाऱ्या सिरॅमिक इटल्या महत्त्वाचे संरक्षण पुरवतात. झिरकोनियम कार्बाइडपासून आणि सिलिकॉन कार्बाइडच्या पुनर्बलीकरणासह या इटल्या तयार केल्या जातात, ज्यामुळे घनतेसाठी सैद्धांतिकदृष्ट्या शक्य असलेल्या 98% पर्यंत घटक गोठवले जातात. ही घनता रेडिएशनच्या निसटण्यासाठी फार कमी जागा सोडते. सुमारे 1000 अंश सेल्सिअस तापमानाला न्यूट्रॉन बॉम्बार्डमेंटला तोंड देताना, या इटल्यांचे आकारमान कमीतकमी अर्ध्या टक्क्यापेक्षा कमी वाढते. हे सामान्य काँक्रीटपेक्षा खूपच चांगले आहे जे कालांतराने विकृत होते आणि फुटते. दशकांपर्यंत सुरक्षा मार्जिनची काळजी असलेल्या प्रकल्प ऑपरेटर्ससाठी, अशी संरचनात्मक स्थिरता महत्त्वाची फरक निर्माण करते.
दबावयुक्त पाणी अभिक्रियाक (PWRs) मध्ये, अतिशय ताणतणावाच्या परिस्थितीत सिरॅमिक इटल्या तीन महत्त्वाच्या भूमिका बजावतात:
ह्या कार्यांना सामग्रीच्या 1200°C वर तन्य ताकद 200 MPa पेक्षा जास्त राखण्याच्या क्षमतेमुळे सक्षम केले जाते—ही मर्यादा बहुतेक स्टील मिश्र धातूंच्या क्षमतेच्या पलीकडे आहे.
अणुऊर्जा अनुप्रयोगांसाठी श्रेणीबद्ध सेरॅमिक्समध्ये थर्मल न्यूट्रॉन्स प्रभावीपणे शोषून घेण्यासाठी बोरॉन-10 समस्थानिकांचा समावेश केला जातो, कारण त्यांचा 3837 बार्न्सच्या सुमारास असलेला अतिशय उच्च कॅप्चर क्रॉस सेक्शन असतो. त्यांच्यात टंगस्टन कणही असतात जे 3 MeV पेक्षा कमी ऊर्जा असताना फोटोइलेक्ट्रिक परिणाम नावाच्या प्रक्रियेद्वारे गामा किरणांना अवरोधित करण्यास मदत करतात. गेल्या वर्षी प्रकाशित झालेल्या संशोधनानुसार, अंदाजे 30 सेंटीमीटर जाड असलेल्या या सेरॅमिक इटल्यांपासून बनवलेल्या भिंती जवळपास 92 टक्क्यांनी फास्ट न्यूट्रॉन फ्लक्स कमी करू शकतात. हे खरंतर लेड-बोरेट ग्लासपासून बनवलेल्या समान भिंतींपेक्षा चांगले आहे, ज्या फक्त सुमारे 78% कमाल करू शकतात. या इटल्यांना दोन्ही प्रकारच्या विकिरणांचा इतका चांगला सामना करता येणे याचा अर्थ नवीन रिअॅक्टर डिझाइनमध्ये लवकरच ऑनलाइन येणाऱ्या लहान पण अत्यंत प्रभावी विकिरण संरक्षण उपायांसाठी त्यांचे महत्त्व वाढत आहे.
धान्य सीमा अभियांत्रिकीसह नवीन सिंटरिंग पद्धतींनी अणुऊर्जा ग्रेड सेरॅमिक्सला 600 MPa च्या वर तान्याच्या शक्तीच्या चाचण्यांमध्ये ढकलले आहे. सिलिकॉन कार्बाइड झिर्कोनियम डायबोराइड मिश्रणांच्या बाबतीत, त्यांची फ्रॅक्चर प्रतिकार क्षमता पारंपारिकरित्या वापरल्या जाणार्या सामान्य अल्युमिना सामग्रीच्या तुलनेत अंदाजे 40 ते 60 टक्क्यांनी चांगली आहे. या सेरॅमिक्सला खरोखर वेगळे करणारी गोष्ट म्हणजे 15 प्रति अणू विस्थापनापर्यंत पोहोचणार्या न्यूट्रॉन बॉम्बार्डमेंटला तोंड देताना त्यांचे आकार टिकवून ठेवण्याची क्षमता. 40 वर्षांपेक्षा जास्त काळ सतत कार्यरत राहणाऱ्या पॉवर प्लांटमधील दशकांवर ताणल्या जाणार्या विकिरणांसह राहणे आवश्यक असलेल्या रिअॅक्टर भागांसाठी ही स्थिरता खूप महत्त्वाची आहे.
अतिउच्च तापमान सेरॅमिक्स (UHTCs) म्हणून ओळखल्या जाणाऱ्या सामग्रीला 2000 अंश सेल्सिअसपेक्षा जास्त तापमान असलेल्या रिअॅक्टर परिस्थितीत जगण्याची क्षमता असते, कारण त्यांच्या पृष्ठभागावर संरक्षक ऑक्साइड थर तयार होतात, त्यांचा उष्णतेमुळे प्रसरण दर खूप कमी असतो (सुमारे 4.5 वेळा 10 मायनस सहाप्रति केल्विन), आणि क्रिस्टल जाळीत दोष असूनही ते संरचनात्मक अखंडता राखतात. विशेषत: हॅफ्नियम कार्बाइडबद्दल बोलायचे झाल्यास, 300 ते 1800 अंश सेल्सिअसपर्यंत 500 तापमान वाढ आणि कमी होण्याच्या चक्रांनंतर या सामग्रीमध्ये फक्त 2 टक्के गुंतवटात बदल होतो. प्रयोगशाळेत त्वरित वार्षावस्थेच्या परिस्थितीत चाचणी घेतल्यास त्यामुळे ते पारंपारिक ग्रॅफाइटच्या तुलनेत जवळजवळ आठ पट जास्त टिकाऊ बनतात.
खालील तक्ता सामान्य सेरॅमिक सामग्रीमध्ये न्यूट्रॉन संरक्षण कार्यक्षमतेची तुलना करतो:
| साहित्य | न्यूट्रॉन क्षीणन (MeV श्रेणी) | गामा किरण अवरोधन | कार्यात्मक आयुर्मान |
|---|---|---|---|
| बोरॉन कार्बाइड | 0.025–14 (थर्मल-फास्ट) | मध्यम | 15–20 वर्षे |
| हॅफ्नियम डायबोराइड | 0.1–10 (एपिथर्मल-फास्ट) | उच्च | 25+ वर्षे |
| टंगस्टन कार्बाइड | 1–14 (फास्ट न्यूट्रॉन्स) | अतिशय कठोर | 12–15 वर्षे |
या सामग्रीच्या ताकदी एकत्रित करताना घटकांचे वजन मोनोलिथिक डिझाइनच्या तुलनेत 22-35% ने कमी करण्यासाठी संयोजित उत्पादनातील अलीकडील प्रगती स्तरित शील्डिंग आर्किटेक्चरसाठी परवानगी देते. ही नाविन्यपूर्णता जनरेशन III+ रिअॅक्टर प्रोटोटाइपमध्ये आढळणाऱ्या टिकाऊपणाच्या आव्हानांना थेट सामोरे जाते, ज्यामुळे दीर्घकालीन सुरक्षितता आणि कामगिरी सुनिश्चित होते.
18 दबावयुक्त पाणी अभिक्रिया एककांवर केलेल्या चाचण्यांमध्ये असे आढळून आले आहे की हे विशेष अणुरासायनिक दगडी इष्टिका पाच लगातर वर्षे तीव्र न्यूट्रॉन विकिरणाखाली राहिल्यानंतरही त्यांच्या मूळ बलाचा सुमारे 98% भाग टिकवून ठेवतात. जेव्हा त्यांना सुमारे 650 डिग्री सेल्सिअस तापमानात अतिशय तीव्र तापमानातील बदलांना सामोरे जावे लागते, तेव्हा ते लहान फुटण्याशिवाय आश्चर्यकारक 12,000 तास टिकतात, जे आंतरराष्ट्रीय अणुऊर्जा एजन्सीद्वारा दीर्घकालीन टिकाऊपणासाठी स्वीकार्य मानलेल्या गोष्टीपेक्षा 15% चांगले आहे. या इष्टिकांच्या उत्पादन पद्धतीमुळे विद्यमान पॉवर प्लांट्समध्ये वापरल्या जाणार्या सामान्य संरक्षण सामग्रीच्या तुलनेत त्यांना विकिरणाच्या नुकसानीपासून सुमारे 40% अधिक संरक्षण मिळते. आज विकसित केल्या जात असलेल्या नवीन प्रकारच्या अणुरिअक्टर्समध्ये विविध सामग्री उष्णता कशी सहन करतात याच्या विविध प्रयोगांद्वारे याची पुष्टी करण्यात आली आहे.
आजच्या अणुभट्ट्यांमध्ये न्यूट्रॉन्स शोषून घेणार्या बोरॉन कार्बाइड सारख्या गोष्टींसह मिश्रित सेरामिक इटा वापरास सुरुवात होत आहे. ही नवीन सामग्री जुन्या पर्यायांच्या तुलनेत गामा किरणांच्या प्रवेशात अंदाजे 62 टक्के कपात करते, तरीही त्यांची संरचनात्मक लवचिकता धरून ठेवते. युरोपियन प्रेशराइझ्ड वॉटर रिअॅक्टर्समधून मिळालेल्या वास्तविक डेटाचे विश्लेषण केल्यास एक आश्चर्यकारक गोष्ट दिसून येते. दहा वर्षांच्या कालावधीत नियमित काँक्रीट अडथळ्यांच्या तुलनेत सेरामिक शील्डिंगला दुरुस्तीच्या कामाची अंदाजे तीन-चतुर्थांश कमी गरज असते. संशोधक वर्गीकृत घनता डिझाइनद्वारे या सामग्रीच्या आणखी सुधारणेवर काम करत आहेत. यामुळे थर्मल शॉक्सविरुद्ध त्यांची लढण्याची क्षमता सुधारते, जे ऑपरेशन दरम्यान अचानक तापमानात बदल अनुभवणाऱ्या नवीन रिअॅक्टर डिझाइनसाठी खूप महत्त्वाचे आहे.
आधुनिक अणुराकेट सेरॅमिक इंट्र्या सामग्री विज्ञान आणि उत्पादन तंत्रज्ञान या दोन्हीमधील प्रगतीचा फायदा घेतात. पारंपारिक सिंटरिंग मूलभूत असले तरी, अॅडिटिव्ह मॅन्युफॅक्चरिंग (AM) मुळे आतापर्यंत अशक्य वाटणाऱ्या गुंतागुंतीच्या आकारांची निर्मिती शक्य झाली आहे. 2024 च्या एका अभ्यासात दाखवण्यात आले आहे की AM द्वारे तयार केलेल्या सेरॅमिक्सचे घनत्व 98.5% पर्यंत पोहोचते आणि त्यामुळे त्यांची विकिरण सहनशीलता सुधारते, ज्यामुळे ओतलेल्या समतुल्यांच्या तुलनेत न्यूट्रॉन लीकेज 18% ने कमी होते.
उच्च कार्यक्षमता अनुप्रयोगांसाठी आवश्यक असलेल्या अतिघन झिर्कोनियम कार्बाइड इंटी तयार करण्यासाठी गॅस दाब सिंटरिंग ही एक प्रमुख पद्धत आहे. परंतु आजकाल उमेदवार उत्पादन पद्धती गोष्टी बदलत आहेत. बायंडर जेटिंग आणि स्टीरिओलिथोग्राफी सारख्या तंत्रांमुळे पारंपारिक पद्धतींनी हाताळता येणार नाहीत अशा फँसी कार्यात्मक श्रेणीबद्ध संरक्षण घटक तयार करण्याची संधी उपलब्ध झाली आहे. संख्या देखील चांगली दिसते. आपण महाग असलेल्या सामग्रींचा विचार केला, तर 30 ते 40 टक्के सामग्रीचा अपव्यय कमी करण्याचा विचार केला जात आहे, जो मोठा फायदा आहे. आणि मितीमापन अचूकता? जर्नल ऑफ मटेरियल्स रिसर्च मध्ये नुकतीच प्रकाशित झालेल्या अभ्यासानुसार सुमारे 50 मायक्रोमीटर. या नवीन पद्धतींकडे अनेक उत्पादकांनी लक्ष देणे समजते.
प्रगती असूनही, व्यापक स्वीकृतीला अडथळे येत आहेत:
अॅल्युमिना-सिलिकॉन कार्बाइड नॅनोकॉम्पोझिट्समध्ये एकाकी सेरॅमिक्सच्या तुलनेत 2 MeV वर गामा किरणांच्या अवरोधनात 22% सुधारणा दिसून येते. 3 wt% बोरॉन नायट्राइड नॅनोट्यूब्सचा समावेश केल्याने थर्मल कंडक्टिव्हिटीच्या घट न करता न्यूट्रॉन कॅप्चर क्रॉस-सेक्शन्समध्ये 40% वाढ होते, जी 25 W/mK वर किंवा त्यापेक्षा जास्त राहते—ज्यामुळे त्यांचा बहुउद्देशीय शील्डिंग घटकांसाठी उत्तम उमेदवार मानला जातो.
इपॉक्सी-बोरॉन कार्बाइड कॉम्पोझिट सारख्या पॉलिमर-सेरॅमिक हायब्रिड्स 30% कमी वजनात शीसाच्या शील्डिंग प्रभावाच्या 80% प्रभाव देतात. मात्र, 250°C च्या तापमान मर्यादेमुळे त्यांचा वापर रिअॅक्टर कोरऐवजी सहाय्यक प्रणालींसाठी मर्यादित राहतो, जेथे उच्च तापमान सहनशीलतेची आवश्यकता असते.
अणुऊर्जा अनुप्रयोगांमध्ये वापरल्या जाणार्या सिरॅमिक भागांना कठोर जागतिक सुरक्षा आवश्यकतांची पूर्तता करणे आवश्यक आहे. आंतरराष्ट्रीय अणुऊर्जा संस्थेच्या SSG-37 मार्गदर्शक तत्त्वांनुसार, संरक्षण साहित्य 100 दशलक्ष ग्रे एककांपेक्षा जास्त विकिरण डोस सहन करण्यास सक्षम असावे, आधीच घटकांच्या बाबतीत कोणत्याही संरचनात्मक नुकसानाची लक्षणे दिसू नयेत. ASME BPVC-III मानदंड आणि ISO 17872:2020 तपशीलांची पूर्तता करणे यामुळे हे सुनिश्चित होते की दाबलेल्या पाण्याच्या रिअॅक्टरमध्ये या साहित्यांना न्यूट्रॉन्सचे किमान 85 टक्के कार्यक्षमतेने शोषण करता येते. उद्योग तज्ञांनी अलीकडेच नवीन पिढीच्या III+ निर्मिती प्रकल्पांमधील सिरॅमिक घटकांमध्ये लहान फुटण्यांचे सतत निरीक्षण करण्याच्या तांत्रिक शिफारशींमध्ये अद्यतन केले आहे. आज अजूनही कार्यरत असलेल्या जुन्या संरक्षण प्रणालींच्या तुलनेत हा प्राकृतिक दृष्टिकोन संभाव्य अपयशांमध्ये अंदाजे 40 ते 45 टक्के कपात करण्यासाठी दर्शविला गेला आहे.
आधुनिक अणुभट्ट्यांमध्ये सामान्यतः मॅग्नेटाइट (Fe3O4) किंवा सरपेंटाइन सामग्री समाविष्ट असलेल्या जड काँक्रीटसह सेरॅमिक इष्टिका संयोजित केल्या जातात, ज्यामुळे स्तरित रेडिएशन अवरोध तयार होतात. केवळ सेरॅमिक भिंती वापरण्यापेक्षा हे संयोजन चांगले कार्य करते आणि गामा किरणांची तीव्रता अंदाजे 22% ने कमी करते. परंतु एक अडचण आहे - उष्णतेमुळे सेरॅमिक आणि काँक्रीट वेगवेगळ्या प्रमाणात विस्तार पावतात. सेरॅमिक्सचा विस्तार सुमारे 5.8 माइक्रोमीटर प्रति मीटर प्रति अंश सेल्सिअस इतका असतो, तर काँक्रीटचा विस्तार त्याहून अधिक असतो. म्हणूनच अभियंते त्यांच्यामध्ये विशेष ग्रेडेड झिरकोनिया स्तर घालतात. सामान्य स्थितीत तापमान 650 अंश सेल्सिअसपर्यंत पोहोचले तरीही ही मध्यवर्ती स्तरे संपूर्ण रचनेची स्थिरता राखण्यास मदत करतात.
EN
