De keramische stenen die worden gebruikt in kerncentrales bieden essentiële beheersing dankzij hun opmerkelijke vermogen om straling te weerstaan en stabiliteit te behouden, zelfs wanneer de temperaturen stijgen. Deze stenen zijn gemaakt van zirkoniumcarbide met siliciumcarbide versterking, waardoor materialen ontstaan die ongeveer 98% van het theoretisch mogelijke bereiken wat betreft dichtheid. Deze dichte structuur laat zeer weinig openingen over waar straling zou kunnen ontsnappen. Bij blootstelling aan neutronenbestraling van ongeveer 1000 graden Celsius zetten deze stenen minder dan een halve procent uit in volume. Dat is veel beter dan gewoon beton, dat op de lange termijn vaak vervormt en barst. Voor bedrijfsleiders van centrales die bezorgd zijn over veiligheidsmarges die tientallen jaren moeten standhouden, maakt dit soort structurele consistentie het grootste verschil.
In waterverdichte reactoren (PWR's) vervullen keramische stenen drie belangrijke functies onder extreme operationele belasting:
Deze functies zijn mogelijk gemaakt door het vermogen van het materiaal om treksterkte boven 200 MPa te behouden bij 1200°C — een drempel die buiten het bereik ligt van de meeste staallegeringen.
Keramieken die zijn beoordeeld voor gebruik in kernapplicaties, bevatten borium-10-isotopen om thermische neutronen effectief te absorberen, omdat deze een zeer hoge opvangcrosssectie hebben van ongeveer 3837 barn. Ze bevatten ook wolfraampartikels die helpen gammastralen tegen te houden via het zogenaamde foto-elektrisch effect bij energieën onder de 3 MeV. Uit onderzoek dat vorig jaar werd gepubliceerd, blijkt dat wanden gemaakt van deze keramische stenen met een dikte van ongeveer 30 centimeter de flux van snelle neutronen kunnen verminderen met bijna 92 procent. Dat is beter dan vergelijkbare wanden gemaakt van lood-boraatglas, die slechts een reductie van ongeveer 78 procent bereiken. Het feit dat deze stenen beide stralingssoorten zo goed afweren, betekent dat ze steeds belangrijker worden voor de bouw van kleinere maar toch zeer effectieve afschermlingen in nieuwe reactorontwerpen die binnenkort operationeel worden.
Nieuwe sintermethoden in combinatie met korrelgrenstechnologie hebben keramische materialen voor nucleair gebruik verder geduwd dan de 600 MPa grens in treksterktesten. Wat betreft mengsels van siliciumcarbide en zirkoniumdiboride, tonen deze ongeveer 40 tot 60 procent betere breukweerstand vergeleken met standaard aluminamaterialen die traditioneel zijn gebruikt. Wat deze keramieken echt onderscheidt, is hun vermogen om hun vorm te behouden, zelfs bij blootstelling aan neutronenbestraling tot wel 15 verplaatsingen per atoom. Deze stabiliteit is zeer belangrijk voor reactoronderdelen die decennia lang moeten meegaan onder continue straling in kerncentrales die meer dan veertig jaar onafgebroken moeten blijven opereren.
Materialen die bekend staan als ultra-hoogtemperatuurkeramieken (UHTC's) kunnen overleven in reactoromstandigheden die meer dan 2000 graden Celsius bereiken, omdat ze beschermende oxide lagen op hun oppervlak vormen, een zeer laag thermisch uitzettingscoëfficiënt hebben van ongeveer 4,5 keer 10 tot de min zesde per Kelvin, en structurele integriteit behouden ondanks defecten in hun kristalrooster. Wat specifiek hafniumcarbide betreft, vertonen deze materialen slechts 2 procent volumeverandering na 500 verwarmings- en koelcycli van 300 tot 1800 graden Celsius. Dat maakt hen ongeveer acht keer duurzamer in vergelijking met traditionele grafiet wanneer getest onder snelle verouderingsomstandigheden in laboratoriumomgevingen.
De onderstaande tabel vergelijkt de neutronenafscherminprestaties tussen gangbare keramische materialen:
| Materiaal | Neutronenverzwakking (MeV-bereik) | Blokkering van gammastralen | Operationele levensduur |
|---|---|---|---|
| Boorcarbide | 0,025–14 (thermisch-snel) | Matig | 1520 jaar |
| Hafniumdiboride | 0,1–10 (epithermaal-snel) | Hoge | 25+ Jaren |
| Wolfraamcarbide | 1–14 (snelle neutronen) | Extreem | 12–15 jaar |
Recente vooruitgang in additieve fabricage maakt gelaagde afschermingsarchitecturen mogelijk die de sterke punten van deze materialen combineren en tegelijkertijd het componentgewicht met 22–35% verminderen in vergelijking met monolithische ontwerpen. Deze innovatie lost direct de duurzaamheidsuitdagingen op die werden geobserveerd in prototype-reactoren van generatie III+, en waarborgt langetermijnveiligheid en -prestaties.
Uit tests op 18 drukwaterreactoren blijkt dat deze speciale nucleaire keramische stenen ongeveer 98% van hun oorspronkelijke sterkte behouden, zelfs na vijf jaar langdurige blootstelling aan intense neutronenstraling. Wanneer ze worden blootgesteld aan extreme temperatuurwisselingen van ongeveer 650 graden Celsius, houden ze indrukwekkend genoeg 12.000 uur stand zonder microscheurtjes te ontwikkelen, wat daadwerkelijk 15% beter is dan wat het Internationaal Agentschap voor Atoomenergie als acceptabel beschouwt voor langetermijnduurzaamheid. De manier waarop deze stenen zijn gemaakt, geeft hen ongeveer 40% meer bescherming tegen stralingschade in vergelijking met reguliere afschermingsmaterialen die momenteel worden gebruikt in energiecentrales. Dit is bevestigd door diverse experimenten die onderzochten hoe goed verschillende materialen warmte weerstaan in nieuwe typen kernreactoren die momenteel in ontwikkeling zijn.
Kerncentrales gebruiken tegenwoordig keramische stenen die zijn gemengd met stoffen zoals boorcarbide, dat neutronen absorbeert. Deze nieuwe materialen verminderen de doordringing van gammastraling met ongeveer 62 procent in vergelijking met oudere opties, terwijl ze tegelijkertijd hun structurele flexibiliteit behouden. Een kijk op real-world gegevens uit Europese verdrongen-waterreactoren toont ook iets interessants. Keramische afscherming vereist over een periode van tien jaar ongeveer een kwart minder onderhoud dan reguliere betonnen barrières. Onderzoekers werken momenteel aan verdere verbetering van deze materialen via ontwerpen met trapsgewijze dichtheid. Dit helpt hen beter bestand te zijn tegen thermische schokken, wat vooral belangrijk is voor nieuwere reactorontwerpen die tijdens bedrijf plotselinge temperatuurveranderingen ondergaan.
Moderne nucleaire keramische stenen profiteren van doorbraken op het gebied van materiaalkunde en productietechnologie. Hoewel traditioneel sinteren nog steeds als basis dient, maakt additieve fabricage (AM) complexe geometrieën mogelijk die eerder onhaalbaar waren. Een studie uit 2024 toont aan dat met AM geproduceerde keramieken een dichtheid van 98,5% bereiken met verbeterde stralingsbestendigheid, wat leidt tot een vermindering van neutronenlekkage met 18% in vergelijking met gegoten equivalenten.
Gasdruksinteren blijft een gangbare methode voor het maken van die zeer dichte zirkoniumcarbide stenen die nodig zijn voor toepassingen met hoge prestatie-eisen. Maar additieve fabricage verandert tegenwoordig de spelregels. Technieken zoals binder jetting en stereolithografie maken het mogelijk om geavanceerde functioneel gegradeerde afschermelementen te produceren, die met traditionele methoden gewoonweg niet haalbaar zijn. De cijfers zien er ook goed uit: men kan materiaalverspilling verminderen met ongeveer 30 tot 40 procent, wat een groot voordeel is bij dure materialen. En de dimensionele nauwkeurigheid? Ongeveer 50 micrometer, volgens recente studies gepubliceerd in het Journal of Materials Research. Geen wonder dat steeds meer fabrikanten deze nieuwe aanpak beginnen op te merken.
Ondanks vooruitgang kent de wijdverspreide toepassing nog obstakels:
Alumina-siliciumcarbide nanocomposieten tonen een verbetering van 22% in gammastralingverzwakking bij 2 MeV in vergelijking met monolithische keramiek. Het toevoegen van 3 gewichtsprocent boornitride nanobuisjes verhoogt de neutronenabsorptie doorsnede met 40%, zonder de thermische geleidbaarheid te verlagen, die boven de 25 W/mK blijft—waardoor ze veelbelovend zijn voor multifunctionele afschermelementen.
Polymeer-keramische hybriden, zoals epoxy-boorcarbide composieten, bereiken 80% van de afschermende werking van lood bij 30% lager gewicht. Hun temperatuurlimiet van 250°C beperkt echter het gebruik tot hulpsystemen in plaats van reactorcores, waar hogere temperatuurbestendigheid vereist is.
Keramische onderdelen die worden gebruikt in nucleaire toepassingen, moeten voldoen aan strikte wereldwijde veiligheidseisen. Volgens de richtsnoeren SSG-37 van het Internationale Agentschap voor Atoomenergie moet afschermingsmateriaal bestand zijn tegen stralingsdoses boven de 100 miljoen Gray-eenheden voordat er enige tekenen van structurele schade zichtbaar worden. Het naleven van zowel de ASME BPVC-III-normen als de ISO 17872:2020-specificaties draagt ertoe bij dat deze materialen neutronen ten minste 85 procent efficiënt kunnen absorberen in verdringingswaterreactoren. Bedrijfsexperts hebben onlangs hun technische aanbevelingen bijgewerkt om continue monitoring van minieme scheurtjes in de keramische componenten van nieuwere generatie III+-installaties op te nemen. Deze proactieve aanpak heeft bewezen dat potentiële storingen met ongeveer 40 tot 45 procent kunnen worden verminderd in vergelijking met oudere afschermingssystemen die nog steeds in bedrijf zijn.
Moderne kerncentrales combineren doorgaans keramische stenen met zwaar beton dat magnetiet (Fe3O4) of serpentine materialen bevat om gelaagde stralingsbarrières te bouwen. De combinatie werkt beter dan alleen keramische wanden, waardoor gammastralen ongeveer 22% worden verminderd. Er is echter één lastig probleem: keramiek en beton zetten bij verwarming verschillend uit. Keramiek zet ongeveer 5,8 micrometer per meter per graad Celsius uit, terwijl beton nog meer uitzetting vertoont. Daarom voegen ingenieurs speciale gelaagde zirkonia-lagen tussenin. Deze tussenliggende lagen helpen de stabiliteit van de gehele constructie te behouden, zelfs wanneer temperaturen tijdens normaal bedrijf oplopen tot 650 graden Celsius.
EN
