Керамические кирпичи, используемые на атомных электростанциях, обеспечивают надежное экранирование благодаря выдающейся способности противостоять радиации и сохранять стабильность даже при высоких температурах. Эти кирпичи изготавливаются из карбида циркония с армированием карбидом кремния, что позволяет достичь плотности около 98 % от теоретически возможной. Такая плотная упаковка оставляет крайне мало пустот, через которые могла бы проникать радиация. При облучении нейтронами при температуре около 1000 градусов Цельсия объем этих кирпичей увеличивается менее чем на половину процента. Это значительно лучше по сравнению с обычным бетоном, который со временем деформируется и растрескивается. Для эксплуатантов станций, обеспокоенных безопасностью в течение десятилетий, такая структурная стабильность имеет решающее значение.
В водо-водяных энергетических реакторах (ВВЭР) керамические кирпичи выполняют три ключевые функции при экстремальных эксплуатационных нагрузках:
Эти функции обеспечиваются способностью материала сохранять прочность на растяжение выше 200 МПа при температуре 1200 °C — порог, превышающий возможности большинства стальных сплавов.
Керамика, предназначенная для ядерных применений, содержит изотопы бора-10, которые эффективно поглощают тепловые нейтроны благодаря очень высокому сечению захвата около 3837 барн. Она также включает частицы вольфрама, которые помогают блокировать гамма-лучи за счёт фотоэлектрического эффекта при энергиях ниже 3 МэВ. Согласно исследованию, опубликованному в прошлом году, стены из таких керамических блоков толщиной около 30 сантиметров могут снизить поток быстрых нейтронов почти на 92 процента. Это фактически лучше, чем у аналогичных стен из свинцово-боратного стекла, которые обеспечивают лишь около 78-процентного снижения. То, что эти блоки так эффективно экранируют оба типа излучения, делает их всё более важными для создания компактных, но при этом высокоэффективных решений по радиационной защите в новых реакторах, которые скоро будут запущены.
Новые методы спекания в сочетании с инженерным проектированием границ зёрен позволили повысить прочность керамики ядерного класса до более чем 600 МПа по результатам испытаний на растяжение. Что касается смесей карбида кремния и дуборида циркония, они демонстрируют примерно на 40–60 процентов лучшую стойкость к растрескиванию по сравнению со стандартными материалами на основе глинозёма, которые традиционно использовались ранее. Особенностью этих керамических материалов является их способность сохранять форму даже при облучении нейтронами, достигающем 15 смещений на атом. Такая стабильность имеет большое значение для деталей реактора, которые должны служить десятилетиями при постоянном воздействии радиации внутри электростанций, рассчитанных на непрерывную работу свыше сорока лет.
Материалы, известные как сверхвысокотемпературные керамики (UHTCs), могут выдерживать условия в реакторе с температурой выше 2000 градусов Цельсия, поскольку они образуют защитные оксидные слои на своей поверхности, имеют очень низкие коэффициенты теплового расширения — около 4,5×10⁻⁶ на Кельвин — и сохраняют структурную целостность, несмотря на дефекты в кристаллической решётке. Что касается карбида гафния, эти материалы демонстрируют всего 2-процентное изменение объёма после прохождения 500 циклов нагрева и охлаждения от 300 до 1800 градусов Цельсия. Это делает их примерно в восемь раз более долговечными по сравнению с традиционным графитом при испытаниях в условиях ускоренного старения в лабораторных условиях.
В таблице ниже приведено сравнение эффективности экранирования нейтронов для распространённых керамических материалов:
| Материал | Ослабление нейтронов (диапазон в МэВ) | Экранирование гамма-лучей | Срок службы |
|---|---|---|---|
| Карбид бора | 0,025–14 (тепловые-быстрые) | Умеренный | 15–20 лет |
| Диборид гафния | 0,1–10 (промежуточные-быстрые) | Высокий | 25+ лет |
| Карбид вольфрама | 1–14 (быстрые нейтроны) | Экстремальный | 12–15 лет |
Современные достижения в области аддитивного производства позволяют создавать многослойные экранирующие конструкции, которые объединяют преимущества этих материалов и при этом снижают массу компонентов на 22–35% по сравнению с монолитными конструкциями. Эта инновация напрямую решает проблемы долговечности, выявленные в прототипах реакторов поколения III+, обеспечивая долгосрочную безопасность и надежность.
Исследования, проведенные на 18 блоках водо-водяных реакторов, показывают, что эти специальные ядерные керамические кирпичи сохраняют около 98% своей первоначальной прочности даже после пяти лет непрерывного воздействия интенсивного нейтронного излучения. При экстремальных перепадах температур около 650 градусов Цельсия они выдерживают впечатляющие 12 000 часов без появления мелких трещин, что на 15% превышает допустимые нормы Международного агентства по атомной энергии для долгосрочной надежности. Специальная технология изготовления этих кирпичей обеспечивает примерно на 40% большую защиту от радиационных повреждений по сравнению с обычными материалами, применяемыми в настоящее время на электростанциях для экранирования. Это подтверждено различными экспериментами, направленными на оценку эффективности различных материалов при работе с теплом в новых типах ядерных реакторов, разрабатываемых сегодня.
Сегодня на атомных электростанциях начинают использовать керамические блоки, смешанные с такими веществами, как карбид бора, который поглощает нейтроны. Эти новые материалы снижают проникновение гамма-излучения примерно на 62 процента по сравнению со старыми вариантами, сохраняя при этом свою структурную гибкость. Анализ реальных данных от европейских водо-водяных реакторов показывает также интересный факт: керамическая защита требует примерно на три четверти меньше обслуживания, чем обычные бетонные барьеры, в течение десятилетнего периода. В настоящее время исследователи работают над дальнейшим усовершенствованием этих материалов за счёт конструкций с градиентной плотностью. Это помогает им лучше противостоять тепловым ударам, что особенно важно для новых типов реакторов, которые испытывают резкие перепады температур в процессе эксплуатации.
Современные ядерные керамические блоки выигрывают от прорывов как в материаловедении, так и в производственных технологиях. Хотя традиционное спекание остаётся базовым методом, аддитивное производство (AM) позволяет создавать сложные геометрические формы, которые ранее были недостижимы. Исследование 2024 года показывает, что керамика, изготовленная методом AM, достигает плотности 98,5% с улучшенной радиационной стойкостью, снижая утечку нейтронов на 18% по сравнению с литыми аналогами.
Газостатическое спекание остается предпочтительным методом для производства сверхплотных кирпичей из карбида циркония, необходимых в высоконагруженных приложениях. Однако в последнее время аддитивное производство меняет ситуацию. Методы, такие как струйная печать связующим и стереолитография, открывают возможности для создания сложных функционально градиентных экранирующих компонентов, которые традиционные методы просто не могут обеспечить. Цифры тоже впечатляют: сокращение потерь материала составляет от 30 до 40 процентов — это существенно, особенно при работе с дорогостоящими материалами. А что касается точности размеров, то по данным недавних исследований, опубликованных в журнале «Journal of Materials Research», она достигает около 50 микрометров. Неудивительно, что всё больше производителей начинают обращать внимание на эти новые подходы.
Несмотря на прогресс, широкое внедрение сталкивается с трудностями:
Нанокомпозиты на основе оксида алюминия и карбида кремния демонстрируют улучшение ослабления гамма-излучения на 22% при 2 МэВ по сравнению с монолитной керамикой. Введение 3 мас.% нанотрубок нитрида бора увеличивает сечение захвата нейтронов на 40% без снижения теплопроводности, которая остаётся выше 25 Вт/(м·К), что делает их перспективными кандидатами для многофункциональных экранирующих компонентов.
Полимерно-керамические гибриды, такие как композиты эпоксидная смола — карбид бора, обеспечивают 80% эффективности свинцового экранирования при на 30% меньшем весе. Однако их температурный предел в 250 °С ограничивает применение вспомогательными системами и не позволяет использовать их в активных зонах реакторов, где требуется более высокая термостойкость.
Керамические детали, используемые в ядерных установках, должны соответствовать строгим международным требованиям по безопасности. Согласно руководящим принципам МАГАТЭ SSG-37, материалы для защиты должны выдерживать дозу радиации выше 100 миллионов единиц Грей до появления признаков структурных повреждений. Соответствие стандартам ASME BPVC-III и спецификациям ISO 17872:2020 помогает обеспечить эффективность поглощения нейтронов на уровне не менее 85 процентов в реакторах с водой под давлением. Эксперты отрасли недавно обновили свои технические рекомендации, включив в них непрерывный контроль за микротрещинами в керамических компонентах новых атомных станций поколения III+. Такой проактивный подход позволяет сократить вероятность отказов примерно на 40–45 процентов по сравнению с более старыми системами защиты, которые всё ещё эксплуатируются сегодня.
Современные атомные электростанции, как правило, используют керамические блоки в сочетании с тяжелым бетоном, содержащим магнетит (Fe3O4) или серпентиновые материалы, чтобы создавать многослойные радиационные барьеры. Такое сочетание работает лучше, чем использование одних только керамических стен, снижая гамма-излучение примерно на 22 %. Однако существует одна сложность — керамика и бетон по-разному расширяются при нагревании. Керамика расширяется примерно на 5,8 микрометра на метр на градус Цельсия, а бетон — ещё больше. Именно поэтому инженеры помещают между ними специальные промежуточные слои из циркония. Эти промежуточные слои помогают сохранять устойчивость всей конструкции даже при температурах до 650 градусов Цельсия в режиме нормальной эксплуатации.
EN
