Teknologi bahan api TRISO membentuk asas bagi bola seramik yang digunakan dalam aplikasi kuasa nuklear. Zarah-zarah kecil ini berukuran hanya beberapa milimeter tetapi mengandungi bahan api uranium yang dibalut dengan beberapa lapisan pelindung daripada silikon karbida dan karbon. Ini mencipta satu sistem kandungan mini yang menghalang bahan radioaktif daripada terlepas, walaupun terdedah kepada suhu yang sangat tinggi melebihi 1800 darjah Celsius. Ujian yang dijalankan oleh organisasi keselamatan nuklear terkemuka menunjukkan bahawa zarah TRISO ini dapat mengekalkan kira-kira 99.99 peratus hasil sampingan radioaktif di dalamnya semasa keadaan ekstrem. Ini menjadikannya sangat penting untuk memastikan operasi yang selamat dalam reaktor hari ini, memberi ketenangan kepada jurutera berkenaan kebocoran atau kegagalan yang mungkin berlaku.
Keberkesanan perisai seramik timbul daripada struktur bahan berlapisannya, yang menggabungkan moderasi neutron, penyerapan, dan pelemahan sinar gama:
| Bahan Lapisan | Fungsi | Ambang Rintangan Sinaran |
|---|---|---|
| Silicon Carbide (SiC) | Halangan struktur utama dan pereder neutron | Sehingga 1,800°C |
| Boron-Karbida (Bâ‚C) | Penyerapan neutron | 800°C berterusan |
| Diperkukuh dengan Tungsten | Pelemahan sinar gamma | >300 keV tenaga foton |
Seramik berketumpatan tinggi seperti komposit tungsten-bismuth mengurangkan penembusan sinar gamma sebanyak 80% berbanding perisai keluli tradisional, menurut kajian 2023. Reka bentuk pelbagai fungsi ini membolehkan pelupusan haba yang cekap sambil memberikan perlindungan kukuh terhadap sinaran neutron dan gamma.
Di Makmal Kebangsaan Idaho, penyelidik menjalankan ujian ke atas bebola seramik berbasis TRISO dalam keadaan kerosakan bekalan elektrik yang disimulasikan. Ujian tersebut meningkatkan suhu melebihi 3,000°F (1,650°C) selama lebih daripada 400 jam tanpa henti, jauh melampaui pengalaman tipikal reaktor. Apa yang menonjol ialah bahawa pelemahan sinar gamma kekal konsisten di atas 97% sepanjang ujian. Ini selaras dengan data Agensi Tenaga Atom Antarabangsa yang menunjukkan bahan api perisai seramik boleh mengurangkan pelepasan radioaktif semasa kemalangan sebanyak kira-kira 90% berbanding rod bahan api oksida uranium tradisional. Satu aspek lain yang menarik ialah bagaimana seramik tersebut sebenarnya menjadi lebih keras apabila dipancar radiasi, menjadikannya jauh lebih rintang terhadap peleburan walaupun sistem penyejukan gagal sepenuhnya.
Silikon karbida (SiC) bersama dengan grafit memainkan peranan penting dalam mengekalkan kestabilan bola seramik dari segi haba dan radiologi. Komponen SiC kekal kuat walaupun suhu melebihi 1600 darjah Celsius, dan tidak mudah terurai apabila terdedah kepada aliran neutron melebihi 10^21 n setiap sentimeter persegi. Ini bermakna bahan-bahan ini boleh bertahan lebih lama dalam keadaan yang sangat mencabar. Grafit juga membantu dengan menyerap neutron-neutron yang mengganggu sambil memindahkan haba secara berkesan berkat sifat pemindahan habanya yang mengikut arah tertentu. Tanpa gabungan ini, kita akan melihat pembentukan tompok-tompok panas yang berbahaya di dalam teras reaktor yang boleh menyebabkan masalah serius pada masa hadapan.
Apabila bahan seramik dibebankan dengan boron-10, ia boleh menangkap kira-kira 94% neutron termal yang mengganggu ini melalui proses tindak balas yang dikenali sebagai 10B(n,α)7Li. Apabila datang kepada menghentikan sinar gamma, bahan-bahan dengan nombor atom tinggi adalah yang paling berkesan. Wolfram dan bismut menonjol di sini kerana mereka sangat cemerlang dalam menyerap foton bertenaga tinggi ini melalui suatu fenomena yang dikenali sebagai kesan fotoelektrik. Dengan menggabungkan bahan komposit setebal hanya 3 sentimeter yang terdiri daripada karbida boron bercampur wolfram, keamatan radiasi gamma dapat dikurangkan hampir kepada sifar—sekitar pengurangan 99.8%. Perlindungan sebegini terhadap radiasi neutron dan gamma telah disahkan melalui ujian, termasuk penemuan terkini yang diterbitkan oleh Agensi Tenaga Atom Antarabangsa pada tahun 2023.
Bahan yang dikenali sebagai seramik fasa MAX, termasuk sebatian seperti Ti3SiC2 dan Cr2AlC, menggabungkan kualiti terbaik logam dan seramik. Bahan-bahan ini menunjukkan kekuatan yang luar biasa dari segi rintangan retakan, dengan prestasi kira-kira tiga kali ganda lebih baik berbanding silikon karbida biasa. Yang menjadikannya lebih menarik ialah keupayaannya untuk mengawal neutron secara efektif. Kajian yang dijalankan oleh penyelidik di Makmal Kebangsaan Oak Ridge telah menunjukkan sesuatu yang cukup mengagumkan. Apabila menghadapi situasi kehilangan pendingin, bahan-bahan ini mampu bertahan pada suhu sehingga 800 darjah Celsius selama lebih daripada tiga hari penuh tanpa henti. Ketahanan sebegini telah menarik perhatian saintis yang sedang membangunkan reaktor nuklear generasi seterusnya, terutamanya yang melibatkan garam lebur dan konsep rekabentuk terkini yang lain.
Sempadan butir nanostruktur kejuruteraan dalam bola seramik menekan pembentukan gelembung helium—penyebab biasa pengembangan akibat radiasi. Ujian penuaan terkumpul menunjukkan perubahan isipadu kurang daripada 0.2% selepas pendedahan setara dengan 40 tahun reaktor. Julat kelicinan sengaja dikekalkan antara 8–12% untuk menampung pengembangan haba tanpa menggugat ketumpatan atau prestasi pelindung, memastikan kebolehpercayaan jangka panjang.
Zarah TRISO mempunyai reka bentuk seramik empat lapis istimewa yang mengekalkan segala kandungan dengan sangat baik. Terdapat penampan karbon liang di sekeliling teras uranium sebenar yang membantu menyerap semua tekanan mekanikal dan haba yang jika tidak boleh menyebabkan masalah. Sekarang, melihat kepada lapisan silikon karbida, itulah pada asasnya sistem pertahanan utama di sini. Apa yang berlaku ialah bahan radioaktif kekal di tempatnya dengan keberkesanan lebih daripada 99.9 peratus walaupun suhu mencapai kira-kira 1600 darjah Celsius. Kemudian kita sampai kepada lapisan karbon pirolitik dalaman dan luaran ini. Mereka melakukan dua perkara utama sebenarnya. Pertama, mereka memberikan sokongan struktur, dan kedua, mereka menghalang sebarang tindak balas kimia yang tidak diingini antara teras uranium dan lapisan silikon karbida. Keseluruhan susunan ini memastikan zarah kekal utuh walaupun suhu berubah dengan cepat secara ulangan.
Pengujian dipercepat mensimulasikan puluhan tahun pendedahan neutron dalam beberapa minggu. Selepas 10,000 jam di bawah keadaan aliran tinggi (10¹n/cm²), lapisan TRISO mengekalkan lebih daripada 98% daripada kekuatan asalnya. Lapisan SiC kekal hampir kedap, dengan keliangan di bawah 0.01% selepas pendedahan kepada dos gama melebihi 200 MGy—berkesan mencegah mikro retakan yang boleh menyebabkan kebocoran.
Dimensi lapisan yang tepat mengimbangkan pengurungan radiasi dengan pengurusan haba:
| Lapisan | Ketebalan (µm) | Fungsi Utama |
|---|---|---|
| Penampan Karbon Poros | 50–100 | Menyerap tekanan haba |
| Karbon Pirolitik Dalam | 20–40 | Mencegah tindak balas inti-SiC |
| Silikon Karbida | 30–50 | Menghalang produk pembelahan |
| Karbon Pirolitik Luar | 40–60 | Rintangan terhadap degradasi mekanikal |
Simulasi menunjukkan bahawa peningkatan lapisan SiC daripada 25 µm kepada 35 µm meningkatkan penghalangan neutron sebanyak 60%, mengurangkan risiko kebocoran radiasi secara ketara.
Pengilang kini mengikuti piawaian ISO 21439:2023 untuk mencapai had dimensi yang ketat (<0.5% variasi). Sistem pembalut automatik memberikan hasil pengeluaran sebanyak 95%, menyokong output tahunan melebihi 10 juta kernel bahan api setiap beban reaktor—peningkatan sebanyak 300% sejak tahun 2020. Pensakalaan ini memastikan kualiti yang konsisten untuk digunakan dalam reaktor jenis pebble-bed dan reaktor garam lebur di seluruh dunia.
Boron karbida (B4C) memainkan peranan utama dalam mengawal neutron kerana ia mempunyai keratan rentas penyerapan yang sangat tinggi untuk isotop 10B, iaitu kira-kira 3,840 barn secara tepatnya. Apabila penyelidik menguji bola seramik dengan kandungan boron karbida sekitar 15%, mereka mendapati pengurangan aliran neutron yang mengesankan iaitu hampir 92%. Cabaran sebenar muncul apabila berurusan dengan pelbagai tahap tenaga. Oleh itu, bahan moden kerap mencampurkan oksida gadolinium (Gd2O3) khususnya untuk neutron epiterma yang sukar dikendalikan, manakala penambahan diborida hafnium (HfB2) lebih berkesan untuk mengendalikan neutron yang bergerak pantas. Kombinasi ini biasanya mencapai kadar pelemahan antara 8 hingga 12 cm⁻¹ pada tenaga sekitar 2 MeV, menjadikannya jauh lebih serba guna berbanding penyelesaian lama.
| Bahan | Julat Tenaga Neutron | Kecekapan Penyerapan (cm⁻¹) |
|---|---|---|
| Boron-Karbida | Termal (<0.025 eV) | 10.2 |
| Oksida Gadolinium | Epiterma (1–100 eV) | 7.8 |
| Hafnium Diborida | Pantas (>1 MeV) | 3.4 |
Untuk perlindungan terhadap sinaran gama, pengilang kerap menggunakan bahan berat seperti karbida tungsten atau bismuth trioksida. Ambil contoh perisai seramik setebal kira-kira 10mm yang mengandungi lebih kurang 30 peratus karbida tungsten. Susunan ini mengurangkan sinar gama sebanyak kira-kira 85 peratus apabila ditujukan kepada aras tenaga sekitar 1.33 MeV. Prestasi sebegini setanding dengan perisai plumbum tradisional, tetapi tanpa risiko kesihatan yang berkaitan dengan pendedahan kepada plumbum. Apabila melihat pilihan berasaskan bismuth, keupayaannya untuk menghalang radiasi diukur antara 0.12 hingga 0.18 sentimeter persegi setiap gram. Ciri-ciri ini menjadikan seramik bismuth sebagai pilihan yang sangat sesuai di mana ruang adalah terhad dan piawaian keselamatan perlu dipenuhi serentak.
Reka bentuk bersepadu yang menggabungkan B₄C, WC, dan SiC mencipta halangan multifungsi. Sebagai contoh, struktur tiga lapis (B₄C/WC/SiC) mampu mencapai penyerapan neutron melebihi 99% dan pelemahan sinar gamma sebanyak 80% pada suhu pengendalian sehingga 1,600°C, memberikan perlindungan menyeluruh dalam satu sistem tunggal.
Pembungkusan seramik memastikan produk pembelahan seperti sesium-137 kekal terperangkap semasa senario kemalangan. Lapisan SiC dalam zarah TRISO mengekalkan 99.996% radionuklid pada suhu 1,800°C, seperti yang disahkan oleh ujian tekanan IAEA pada tahun 2023. Perangkap pasif ini menghapuskan pergantungan kepada penyejukan luar atau campur tangan manusia, secara drastik meningkatkan ketahanan reaktor.
HTGR beroperasi pada suhu yang sangat tinggi, sering kali melebihi 1,600 darjah Celsius, namun bola seramik yang digunakan kekal utuh disebabkan oleh reka bentuk zarah TRISO khas mereka. Apa yang menjadikan bahan-bahan ini begitu boleh dipercayai ialah perisai silikon karbida yang mampu menahan suhu melebihi 3,000 Fahrenheit tanpa hancur. Ini bermakna reaktor boleh menyejuk secara semula jadi walaupun tiada siapa yang memantau atau ketika kegagalan bekalan elektrik. Penyelidikan daripada organisasi seperti IAEA telah menekankan kelebihan keselamatan terbina dalam ini, menunjukkan bagaimana reaktor-reaktor ini sebenarnya mampu bertahan dalam tempoh panjang tanpa tenaga elektrik. Apabila jurutera menjalankan simulasi bagi senario terburuk, mereka juga mendapati sesuatu yang luar biasa: bahan api seramik menghalang pelepasan bahan radioaktif lebih kurang 98 peratus lebih baik berbanding rod bahan api biasa dalam situasi yang sama. Prestasi sebegini memberi ketenangan kepada pengendali loji kerana mereka tahu kemudahan mereka jauh lebih selamat terhadap kemalangan.
Pellet oksida uranium tradisional bergantung kepada salutan yang boleh retak di bawah tekanan, manakala bola seramik membungkus bahan api di dalam beberapa lapisan pelindung yang tahan terhadap kerosakan akibat radiasi. Ujian di Makmal Kebangsaan Oak Ridge menyokong perkara ini, menunjukkan reka bentuk baharu ini mengurangkan kebocoran berbahaya daripada tindak balas nuklear hampir sebanyak 90% berbanding kaedah lama. Kelebihan besar lain bagi teknologi seramik adalah cara ia bertindak balas dengan air. Memandangkan seramik tidak begitu kuat bertindak balas dengan air, risiko menghasilkan gas hidrogen mudah letup menjadi jauh lebih rendah sekiranya berlaku kemalangan di dalam reaktor. Ini menjadikannya jauh lebih selamat berbanding reka bentuk reaktor air ringan konvensional di mana pengumpulan hidrogen sedemikian telah menjadi perhatian utama.
Lebih daripada lima belas negara termasuk Amerika Syarikat, China, dan Perancis telah mula membangunkan sistem bahan api seramik untuk gelombang teknologi reaktor seterusnya. Menurut data daripada Persatuan Nuklear Sedunia yang dikeluarkan tahun lepas, reaktor yang disejukkan oleh gas suhu tinggi yang menggunakan bebola seramik boleh menyumbang sekitar dua belas peratus daripada semua kuasa nuklear di seluruh dunia menjelang pertengahan 2030-an. Usaha penseragaman yang sedang berlangsung kini berharap dapat mengurangkan perbelanjaan pengeluaran TRISO hampir separuh dalam beberapa tahun akan datang. Pengurangan kos ini akan menjadikan bahan api maju ini lebih mudah didapati untuk pemasangan dalam reaktor modul kecil dan juga rekabentuk mikroreaktor yang lebih kecil yang kini sedang diuji oleh banyak syarikat.
EN
