Bata seramik yang digunakan di loji kuasa nuklear menawarkan kandungan penting berkat keupayaannya yang luar biasa untuk menahan radiasi dan mengekalkan kestabilan walaupun suhu meningkat. Bata ini diperbuat daripada zirkonium karbida dengan pengukuhan silikon karbida, menghasilkan bahan yang memadatkan kira-kira 98% daripada ketumpatan yang teoretikalnya mungkin. Pemadatan yang ketat ini meninggalkan sangat sedikit ruang di mana radiasi boleh terlepas. Apabila terdedah kepada tembakan neutron pada suhu sekitar 1000 darjah Celsius, bata ini mengembang kurang daripada setengah peratus dari segi isipadu. Ini jauh lebih baik daripada konkrit biasa yang cenderung melengkung dan retak sepanjang masa. Bagi pengendali loji yang prihatin tentang margin keselamatan yang tahan selama dekad, konsistensi struktur sebegini membuatkan perbezaan yang besar.
Dalam reaktor air bertekanan (PWR), bata seramik memainkan tiga peranan utama di bawah tekanan operasi yang melampau:
Fungsi-fungsi ini dimungkinkan oleh keupayaan bahan tersebut mengekalkan kekuatan tegangan melebihi 200 MPa pada suhu 1200°C—satu ambang yang berada di luar kemampuan kebanyakan aloi keluli.
Seramik yang diberi penarafan untuk aplikasi nuklear mengandungi isotop boron-10 untuk menyerap neutron termal secara berkesan, memandangkan ia mempunyai keratan rentas tangkapan yang sangat tinggi iaitu kira-kira 3837 barn. Ia juga mengandungi zarah tungsten yang membantu menghalang sinar gama melalui kesan fotoelektrik apabila tenaga berada di bawah 3 MeV. Menurut penyelidikan yang diterbitkan tahun lepas, dinding yang dibuat daripada bata seramik ini dengan ketebalan kira-kira 30 sentimeter boleh mengurangkan fluks neutron laju sehingga hampir 92 peratus. Ini sebenarnya lebih baik daripada dinding serupa yang dibuat dengan kaca plumbum-borat, yang hanya mampu mencapai pengurangan sekitar 78 peratus. Fakta bahawa bata ini mampu mengendalikan kedua-dua jenis radiasi dengan begitu baik menjadikannya semakin penting untuk membina penyelesaian perisai radiasi yang lebih kecil tetapi masih sangat berkesan dalam reka bentuk reaktor baharu yang akan beroperasi tidak lama lagi.
Kaedah penganyaman baharu yang digabungkan dengan kejuruteraan sempadan butir telah mendorong seramik gred nuklear melebihi tanda 600 MPa dalam ujian kekuatan tegangan. Apabila melibatkan campuran silikon karbida zirkonium diborida, bahan ini menunjukkan rintangan retak yang lebih baik sebanyak kira-kira 40 hingga 60 peratus berbanding bahan alumina piawai yang digunakan secara tradisional. Apa yang menjadikan seramik ini benar-benar menonjol adalah kemampuannya untuk mengekalkan bentuknya walaupun terdedah kepada tembakan neutron sehingga mencapai 15 anjakan per atom. Kestabilan sebegini amat penting bagi komponen reaktor yang perlu bertahan selama puluhan tahun pendedahan radiasi berterusan di dalam loji kuasa yang dibina untuk beroperasi lebih daripada empat puluh tahun tanpa henti.
Bahan yang dikenali sebagai seramik suhu sangat tinggi (UHTCs) boleh bertahan dalam keadaan reaktor yang mencapai lebih daripada 2000 darjah Celsius kerana ia membentuk lapisan oksida pelindung pada permukaannya, mempunyai kadar pengembangan haba yang sangat rendah iaitu kira-kira 4.5 kali 10 kepada minus keenam per Kelvin, dan mengekalkan integriti struktur walaupun terdapat kecacatan dalam kekisi kristalnya. Khususnya hafnium karbida, bahan ini hanya menunjukkan perubahan isi padu sebanyak 2 peratus selepas melalui 500 kitaran pemanasan dan penyejukan dari 300 hingga 1800 darjah Celsius. Ini menjadikannya kira-kira lapan kali lebih tahan lasak berbanding grafit tradisional apabila diuji di bawah keadaan penuaan pantas dalam persekitaran makmal.
Jadual di bawah membandingkan prestasi pelindungan neutron merentasi bahan seramik biasa:
| Bahan | Pelemahan Neutron (julat MeV) | Penghalang Sinar Gamma | Jangka hayat operasi |
|---|---|---|---|
| Boron Karbida | 0.025–14 (termal-cepat) | Sederhana | 1520 tahun |
| Hafnium Diborida | 0.1–10 (epitermal-cepat) | Tinggi | 25+ Tahun |
| Karbida Tungsten | 1–14 (neutron cepat) | Ekstrem | 12–15 tahun |
Kemajuan terkini dalam pembuatan tambahan membolehkan arkitektur perisai berlapis yang menggabungkan kekuatan bahan-bahan ini sambil mengurangkan berat komponen sebanyak 22–35% berbanding rekabentuk monolitik. Inovasi ini secara langsung menangani cabaran ketahanan yang diperhatikan dalam prototaip reaktor Generasi III+, memastikan keselamatan dan prestasi jangka panjang.
Ujian yang dijalankan ke atas 18 unit reaktor air bertekanan menunjukkan bahawa bata seramik nuklear khas ini mengekalkan sekitar 98% daripada kekuatan asalnya walaupun didedahkan kepada sinaran neutron yang kuat selama lima tahun berturut-turut. Apabila mengalami perubahan suhu ekstrem pada suhu sekitar 650 darjah Celsius, bata ini tahan selama 12,000 jam tanpa mengalami retakan halus, iaitu sebenarnya 15% lebih baik daripada piawaian yang diterima oleh Agensi Tenaga Atom Antarabangsa untuk ketahanan jangka panjang. Kaedah penghasilan bata ini memberikan perlindungan terhadap kerosakan akibat radiasi yang kira-kira 40% lebih tinggi berbanding bahan perisai biasa yang digunakan dalam loji kuasa pada masa ini. Ini telah disahkan melalui pelbagai eksperimen yang menilai keupayaan bahan-bahan berbeza menangani haba dalam jenis-jenis reaktor nuklear baharu yang sedang dibangunkan hari ini.
Loji nuklear hari ini mula menggunakan batu bata seramik yang dicampur dengan bahan seperti boron karbida yang menyerap neutron. Bahan baharu ini mengurangkan penembusan sinar gamma sekitar 62 peratus berbanding pilihan lama, sambil mengekalkan keanjalan struktur mereka. Melihat data dunia sebenar dari reaktor air bertekanan Eropah juga menunjukkan sesuatu yang menarik. Perisai seramik sebenarnya memerlukan penyelenggaraan kira-kira tiga perempat kurang berbanding halangan konkrit biasa apabila dilihat dalam tempoh sepuluh tahun. Kini, penyelidik sedang bekerja untuk memperbaiki bahan-bahan ini lebih lanjut melalui rekabentuk ketumpatan berperingkat. Ini membantu mereka menahan kejutan terma dengan lebih baik, yang sangat penting bagi rekabentuk reaktor baharu yang mengalami perubahan suhu mendadak semasa operasi.
Bata seramik nuklear moden mendapat manfaat daripada kemajuan dalam sains bahan dan teknologi pengeluaran. Walaupun pensinteran tradisional kekal sebagai asas, pembuatan tambahan (AM) membolehkan geometri kompleks yang sebelum ini tidak dapat dicapai. Satu kajian tahun 2024 menunjukkan bahawa seramik yang dihasilkan melalui AM mencapai ketumpatan 98.5% dengan rintangan radiasi yang lebih baik, mengurangkan kebocoran neutron sebanyak 18% berbanding setara tuang.
Pensinteran tekanan gas kekal sebagai kaedah pilihan untuk menghasilkan bata zirkonium karbida yang sangat padat yang diperlukan dalam aplikasi prestasi tinggi. Namun, pembuatan tambahan kini mengubah keadaan. Teknik seperti binder jetting dan stereolithography membuka peluang untuk menghasilkan komponen perisai bergradasi fungsi yang canggih yang tidak dapat ditangani oleh kaedah tradisional. Angka-angkanya juga kelihatan memberangsangkan. Kita bercakap tentang pengurangan sisa bahan sekitar 30 hingga 40 peratus, iaitu perkara besar apabila melibatkan bahan-bahan mahal. Dan ketepatan dimensi? Sekitar 50 mikrometer menurut kajian terkini yang diterbitkan dalam Journal of Materials Research. Tidak hairanlah ramai pengilang mula memberi perhatian kepada pendekatan baharu ini.
Walaupun terdapat kemajuan, penerimaan meluas menghadapi halangan:
Nanokomposit alumina-silikon karbida menunjukkan peningkatan sebanyak 22% dalam pelembapan sinar gamma pada 2 MeV berbanding seramik monolitik. Penggabungan 3 wt% nanotube boron nitrida meningkatkan keratan rentas penangkapan neutron sebanyak 40% tanpa mengurangkan kekonduksian terma, yang kekal melebihi 25 W/mK—menjadikannya calon yang berpotensi tinggi untuk komponen perisai pelbagai fungsi.
Hibrid polimer-seramik, seperti komposit epoksi-boron karbida, mencapai 80% keberkesanan perisai plumbum dengan berat 30% lebih rendah. Walau bagaimanapun, had suhu 250°C mereka menyekat penggunaannya kepada sistem tambahan dan bukannya teras reaktor, di mana rintangan suhu yang lebih tinggi diperlukan.
Bahagian seramik yang digunakan dalam aplikasi nuklear perlu memenuhi keperluan keselamatan global yang ketat. Menurut garis panduan SSG-37 Agensi Tenaga Atom Antarabangsa, bahan perisai harus mampu menahan dos sinaran melebihi 100 juta unit Gray sebelum menunjukkan sebarang tanda kerosakan struktur. Pematuhan terhadap piawaian ASME BPVC-III dan spesifikasi ISO 17872:2020 membantu memastikan bahawa bahan-bahan ini dapat menyerap neutron sekurang-kurangnya 85 peratus secara efisien dalam reaktor air bertekanan. Pakar industri baru-baru ini telah mengemaskini cadangan teknikal mereka untuk merangkumi pemantauan berterusan terhadap retak-retak halus dalam komponen seramik loji Generasi III+ yang lebih baharu. Pendekatan proaktif ini telah terbukti mengurangkan kegagalan potensial sebanyak kira-kira 40 hingga 45 peratus berbanding sistem perisai lama yang masih beroperasi pada hari ini.
Loji nuklear moden biasanya menggabungkan batu bata seramik bersama konkrit tahan lasak yang mengandungi magnetit (Fe3O4) atau bahan serpentinit untuk membina penghalang radiasi berlapis. Gabungan ini berfungsi lebih baik daripada hanya menggunakan dinding seramik sahaja, mengurangkan sinar gamma sebanyak kira-kira 22%. Namun, terdapat satu isu rumit — seramik dan konkrit mengembang secara berbeza apabila dipanaskan. Seramik berkembang pada kadar sekitar 5.8 mikrometer per meter per darjah Celsius, manakala konkrit mengembang lebih banyak lagi. Oleh itu, jurutera memasukkan lapisan zirkonia gred khas di antara keduanya. Lapisan perantaraan ini membantu mengekalkan kestabilan keseluruhan struktur walaupun suhu mencapai sehingga 650 darjah Celsius semasa operasi biasa.
EN
