Cărămizile ceramice utilizate în centralele nucleare oferă o conținere vitală datorită capacității remarcabile de a rezista radiațiilor și de a menține stabilitatea chiar și atunci când temperatura crește. Aceste cărămizi sunt fabricate din carbura de zirconiu cu armare din carbura de siliciu, creând materiale care ating aproximativ 98% din densitatea teoretic posibilă. Acest aranjament strâns lasă foarte puține goluri prin care radiația ar putea scăpa. Atunci când sunt expuse la bombardament neutroni la aproximativ 1000 de grade Celsius, aceste cărămizi se extind cu mai puțin de jumătate la sută în volum. Acest lucru este mult mai bun decât betonul obișnuit, care tinde să se deformeze și să se crape în timp. Pentru operatorii de centrale preocupați de marginile de siguranță care trebuie să dureze decenii, acest tip de consistență structurală face toată diferența.
În reactoarele cu apă sub presiune (PWR), cărămizile ceramice îndeplinesc trei roluri cheie în condiții extreme de funcționare:
Aceste funcții sunt posibile datorită capacității materialului de a-și menține rezistența la tracțiune peste 200 MPa la 1200°C — un prag ce depășește capacitățile majorității aliajelor de oțel.
Ceramicele destinate aplicațiilor nucleare includ izotopi de bor-10 pentru a absorbi eficient neutronii termici, datorită secțiunii mari de captură de aproximativ 3837 barni. De asemenea, conțin particule de wolfram care ajută la blocarea razelor gamma prin efectul fotoelectric atunci când energiile sunt sub 3 MeV. Conform unui studiu publicat anul trecut, pereții realizați din aceste cărămizi ceramice cu o grosime de aproximativ 30 de centimetri pot reduce fluxul de neutroni rapizi cu aproape 92 la sută. Acest procent este mai bun decât cel al pereților similari realizați din sticlă plumb-borată, care asigură doar o reducere de aproximativ 78 la sută. Faptul că aceste cărămizi gestionează atât de bine ambele tipuri de radiații le face din ce în ce mai importante pentru construirea unor soluții de ecranare radiologică mai mici, dar totodată foarte eficiente, în noile proiecte de reactoare care vor fi puse în funcțiune în curând.
Noi metode de sinterizare combinate cu ingineria limitelor de grăunți au crescut ceramicele de grad nuclear peste pragul de 600 MPa în testele de rezistență la tracțiune. În cazul amestecurilor de carbura de siliciu și diborură de zirconiu, acestea prezintă o rezistență la rupere cu aproximativ 40-60 la sută mai bună comparativ cu materialele standard din alumină utilizate tradițional. Ceea ce face ca aceste ceramice să se remarce cu adevărat este capacitatea lor de a-și menține forma chiar și atunci când sunt expuse bombardamentului cu neutroni care poate ajunge până la 15 deplasări per atom. O astfel de stabilitate este foarte importantă pentru componentele reactoarelor care trebuie să funcționeze timp de decenii în condiții de radiație continuă, în centrale electrice concepute să funcționeze neîntrerupt timp de peste patruzeci de ani.
Materialele cunoscute sub numele de ceramice cu temperatură foarte înaltă (UHTCs) pot supraviețui în condițiile reactoarelor care ating peste 2000 de grade Celsius deoarece formează straturi oxizi protectivi pe suprafețele lor, au rate foarte scăzute de dilatare termică, în jur de 4,5 ori 10 la minus șase pe Kelvin, și își mențin integritatea structurală în ciuda defectelor din rețeaua lor cristalină. În cazul specific al carbidei de hafniu, aceste materiale prezintă doar 2 procente modificare de volum după 500 de cicluri de încălzire și răcire între 300 și 1800 de grade Celsius. Asta le face aproximativ de opt ori mai durabile în comparație cu grafitul tradițional atunci când sunt testate în condiții de îmbătrânire rapidă în mediul de laborator.
Tabelul de mai jos compară performanța de ecranare la neutroni a unor materiale ceramice comune:
| Material | Atenuare neutroni (interval MeV) | Blocare rază gamma | Durată de funcționare operațională |
|---|---|---|---|
| Carbide de Bor | 0,025–14 (termici-rapizi) | Moderat | 1520 ani |
| Diborură de hafniu | 0,1–10 (epitermici-rapizi) | Înaltelor | 25+ ANI |
| Carbură de tungsten | 1–14 (neutroni rapizi) | Extrem | 12–15 ani |
Progresele recente în domeniul fabricației aditive permit arhitecturi de ecranare stratificate care combină avantajele acestor materiale, reducând în același timp greutatea componentelor cu 22–35% în comparație cu designurile monolitice. Această inovație abordează direct provocările de durabilitate observate la prototipurile reactoarelor de generația III+, asigurând siguranța și performanța pe termen lung.
Testele efectuate pe 18 unități de reactoare cu apă sub presiune arată că aceste cărămizi ceramice nucleare speciale își păstrează aproximativ 98% din rezistența inițială, chiar și după cinci ani consecutivi expuse la radiații neutronice intense. Atunci când sunt supuse unor schimbări extreme de temperatură de aproximativ 650 de grade Celsius, rezistă impresionant timp de 12.000 de ore fără a dezvolta microfisuri, ceea ce reprezintă de fapt cu 15% mai bine decât ceea ce Agenția Internațională pentru Energie Atomică consideră acceptabil pentru durabilitate pe termen lung. Modul în care sunt fabricate aceste cărămizi le oferă aproximativ 40% mai multă protecție împotriva deteriorării prin radiații, comparativ cu materialele obișnuite de ecranare utilizate în prezent în centralele electrice. Aceasta a fost confirmat prin diverse experimente care au analizat eficiența diferitelor materiale în gestionarea căldurii în noile tipuri de reactoare nucleare dezvoltate în prezent.
Centralele nucleare de astăzi încep să utilizeze cărămizi ceramice amestecate cu substanțe precum carbura de bor, care absoarbe neutronii. Aceste materiale noi reduc penetrația razelor gamma cu aproximativ 62 la sută în comparație cu variantele mai vechi, păstrând în același timp flexibilitatea structurală. Analizând date din lumea reală provenite de la reactoarele europene cu apă sub presiune, se observă un aspect interesant: ecranarea ceramică necesită cu aproximativ trei sferturi mai puțină întreținere decât barierele obișnuite din beton, dacă privim pe o perioadă de zece ani. Cercetătorii lucrează în prezent la îmbunătățirea acestor materiale prin proiecte de densitate treptată, ceea ce le sporește rezistența la socurile termice—un aspect foarte important pentru noile tipuri de reactoare care suferă schimbări brute de temperatură în timpul funcționării.
Caramida nucleară modernă beneficiază de progrese atât în domeniul ştiinţei materialelor, cât şi în tehnologia producţiei. În timp ce sinterizarea tradițională rămâne fundamentală, fabricarea aditivă (AM) permite geometrii complexe imposibil de realizat anterior. Un studiu din 2024 demonstrează că ceramica produsă prin AM atinge o densitate de 98,5% cu o toleranță îmbunătățită la radiații, reducând scurgerea de neutroni cu 18% în comparație cu echivalentele turnate.
Sinterizarea sub presiune de gaz rămâne o metodă preferată pentru producerea cărămizilor din carbura de zirconiu extrem de dense, necesare în aplicații de înaltă performanță. Dar în zilele noastre fabricarea aditivă schimbă lucrurile. Tehnici precum turnarea cu binder sau stereolitografia deschid posibilitatea creării acelor componente sofisticate de ecranare funcțional gradate pe care metodele tradiționale pur și simplu nu le pot realiza. Și cifrele arată destul de bine. Vorbim despre reducerea deșeurilor de material undeva între 30 și 40 la sută, ceea ce este semnificativ atunci când lucram cu materiale scumpe. Iar precizia dimensională? În jur de 50 de micrometri, conform unor studii publicate recent în Journal of Materials Research. Este clar de ce tot mai mulți producători încep să acorde atenție acestor noi abordări.
În ciuda progresului, adoptarea pe scară largă se confruntă cu obstacole:
Nanocompozitele din alumina-carbura de siliciu demonstrează o îmbunătățire cu 22% a atenuării razelor gamma la 2 MeV în comparație cu ceramicile monolitice. Incorporarea a 3% greutate tuburi de nitru de bor crește secțiunile eficace de captură a neutronilor cu 40%, fără a compromite conductivitatea termică, care rămâne peste 25 W/mK—făcându-le candidați promițători pentru componente multifuncționale de ecranare.
Hibridele polimer-ceramică, cum ar fi compozitele epoxidice-carbura de bor, ating 80% din eficacitatea de ecranare a plumbului la o greutate cu 30% mai mică. Totuși, limita lor termică de 250°C restricționează utilizarea doar la sisteme auxiliare, nu în nucleele reactoarelor, unde este necesară o rezistență mai mare la temperaturi ridicate.
Părțile ceramice utilizate în aplicații nucleare trebuie să respecte cerințe stricte de siguranță globală. Conform ghidurilor SSG-37 ale Agenției Internaționale pentru Energie Atomică, materialele de ecranare ar trebui să poată suporta doze de radiații de peste 100 de milioane unități Gray înainte de a prezenta semne de deteriorare structurală. Respectarea atât a standardelor ASME BPVC-III, cât și a specificațiilor ISO 17872:2020 ajută la asigurarea faptului că aceste materiale pot absorbi neutronii cu o eficiență de cel puțin 85 la sută în reactoarele cu apă sub presiune. Experții din industrie au actualizat recent recomandările tehnice pentru a include monitorizarea continuă a microfisurilor din componentele ceramice ale noilor instalații de generația III+. Această abordare proactivă s-a dovedit că reduce potențialele defecțiuni cu aproximativ 40-45 la sută în comparație cu vechile sisteme de ecranare încă în funcțiune în prezent.
Centralele nucleare moderne combină în mod obișnuit cărămizi ceramice cu beton de înaltă rezistență care conține magnetit (Fe3O4) sau materiale serpentinitice pentru a construi bariere stratificate împotriva radiațiilor. Combinarea acestora funcționează mai bine decât utilizarea exclusivă a pereților ceramici, reducând razele gamma cu aproximativ 22%. Există însă o problemă delicată — ceramicile și betonul se dilată diferit la încălzire. Ceramicile se extind cu aproximativ 5,8 micrometri pe metru pe grad Celsius, în timp ce betonul se extinde și mai mult. Din acest motiv, inginerii introduc straturi speciale din oxid de zirconiu treptat între acestea. Aceste straturi intermediare ajută la menținerea stabilității întregii structuri, chiar și atunci când temperaturile ajung până la 650 de grade Celsius în condiții normale de funcționare.
EN
