Керамичке опеке које се користе у нуклеарним електранама пружају важну контенцију због њихове изузетне отпорности на зрачење и стабилности чак и кад температуре порасту. Ове опеке су направљене од карбида цирконијума са појачањем карбидом силицијума, стварајући материјале који имају густину од око 98% онога што је теоретски могуће. Ово компактно упаковање оставља врло мало празнина кроз које би зрачење могло да побегне. Кад су изложени неутронском бомбардовању на око 1000 степени Селзијуса, ове опеке повећавају запремину мање од половине процента. То је знатно боље у односу на обични бетон који се током времена обично изобличује и пуца. За оператере електрана који размишљају о безбедносним маргинама који морају трајати деценијама, ова врста структурне конзистентности чини сву разлику.
У притисним воденим реакторима (PWRs), керамичке опеке имају три кључне улоге под дејством екстремних радних напрезања:
Ове функције омогућава способност материјала да задржи чврстоћу на затезање изнад 200 MPa на температури од 1200°C — што је праг изнад могућности већине челичних легура.
Керамика намењена нуклеарним применама укључује изотопе бора-10 како би ефикасно апсорбовала топлотне неутроне, јер има веома велики пресек за захват од око 3837 барни. Такође садржи честице волфрама које помажу у блокирању гама зрака кроз такозвани фотоелектрични ефекат када су енергије испод 3 MeV. Према истраживању објављеном прошле године, зидови направљени од ових керамичких опека дебљине око 30 центиметара могу смањити флукс брзих неутрона за скоро 92 процента. То је заправо боље у односу на сличне зидове направљене од оловно-боратног стакла, који постижу смањење од само око 78 процената. Чињеница да ове опеке толико добро отпорно делују на обе врсте зрачења значи да постају све важније за изградњу мањих, али и даље веома ефикасних решења за заштиту од зрачења у новим дизајнима реактора који ускоро ступају у функцију.
Нове методе спајања уз инжењеринг граница зрна су потиснуле нуклеарне керамике изнад границе од 600 MPa на тестовима чврстоће на затезање. Када је реч о мешавини карбида силицијума и дуборида цирконијума, они показују отприлике 40 до 60 процената бољу отпорност на пуцање у поређењу са стандардним материјалима на бази алумине који се традиционално користе. Оно што ове керамике заиста истиче јесте њихова способност да задрже свој облик чак и кад су изложени бомбардовању неутронима које достиже и до 15 померања по атому. Ова врста стабилности има велики значај за делове реактора који морају издржати деценије непрестаног зрачења унутар електрана које су пројектоване да раде више од четрдесет година непрекидно.
Материјали познати као ултра високотемпературне керамике (UHTC) могу да издрже услове у реактору који достижу преко 2000 степени Целзијуса јер формирају заштитне оксидне слојеве на својим површинама, имају веома низак коефицијент топлотног ширења од око 4,5 пута 10 на минус шести по Келвину и одржавају структурну интегритет и упркос дефектима у својој кристалној решетки. Што се тиче баш карбида хафнијума, ови материјали показују само 2 процента промене запремине након 500 циклуса загревања и хлађења од 300 до 1800 степени Целзијуса. То их чини отприлике осам пута издржљивијим у поређењу са традиционалним графитом када се тестирају у условима брзог старења у лабораторијским условима.
Табела испод пореди перформансе заштите од неутрона код уобичајених керамичких материјала:
| Материјал | Атенуација неутрона (MeV опсег) | Блокирање гама зрака | Trajanje radnog veka |
|---|---|---|---|
| Бор карбид | 0,025–14 (термални-брзи) | Умерено | 15–20 Godina |
| Диборид хафнијума | 0,1–10 (епитермални-брзи) | Visok | 25+ Godina |
| Тунгстен Царбиде | 1–14 (брзи неутрони) | Ekstremne | 12–15 godina |
Новији напредак у адитивној производњи омогућава слојевите архитектуре заштите које комбинују предности ових материјала, смањујући тежину компонената за 22–35% у односу на монолитне конструкције. Ова иновација директно решава изазове трајности запажене у прототипима реактора треће генерације плус, осигуравајући дугорочну сигурност и перформансе.
Тестови спроведени на 18 јединица притиснутог воденог реактора показују да ови специјални нуклеарни керамички блокови задржавају отприлике 98% своје оригиналне чврстоће, чак и након што су били изложени интензивном неутронском зрачењу током пет узастопних година. Када су изложени екстремним променама температуре на око 650 степени Целзијуса, трају импресивних 12.000 сати без појаве ситних пукотина, што је заправо 15% боље од онога што Међународна агенција за атомску енергију сматра прихватљивим за дугорочну издржљивост. Начин на који су направљени ови блокови им даје отприлике 40% већу заштиту од штете услед зрачења у поређењу са обичним материјалима за заштиту тренутно коришћеним у електранама. Ово је потврђено кроз разне експерименте који испитују колико добро различити материјали подносе топлоту у новим типовима нуклеарних реактора који се тренутно развијају.
Нуклеарне електране данас почињу да користе церамичке опеке помешане са супстанцама као што је бор карбид који апсорбује неутроне. Ови нови материјали смањују проницавост гама зрачења за око 62 процента у односу на старије варијанте, истовремено задржавајући своју структурну флексибилност. Анализа података из европских електрана са притиснутом водом показује још једну занимљивост. Заштитни церамички елементи захтевају отприлике три четвртине мање одржавања у односу на обичне бетонске баријере током десетогодишњег периода. Тренутно истраживачи раде на даљем побољшању ових материјала кроз дизајн са степенираном густином. То им омогућава бољу отпорност на термичке ударце, што је веома важно за новије конструкције реактора који доживљавају нагле промене температуре током рада.
Savremene keramičke opeke za nuklearne reaktore imaju koristi od proboja u oblasti materijala i tehnologije proizvodnje. Dok tradicionalno sinterovanje i dalje ostaje osnova, aditivna proizvodnja (AM) omogućava složene geometrije koje ranije nisu mogle da se ostvare. Studija iz 2024. godine pokazuje da keramika proizvedena aditivnom metodom dostiže gustinu od 98,5% uz poboljšanu otpornost na zračenje, smanjujući curenje neutrona za 18% u poređenju sa livenim ekvivalentima.
Gasno pritisna sinterizacija ostaje metoda izbora za proizvodnju veoma gustih cigala od karbida cirkonijuma koje su potrebne u visokoproduktivnim aplikacijama. Međutim, aditivna proizvodnja menja stvari u poslednjih nekoliko godina. Tehnike poput mlaznog vezivanja i stereolitografije omogućavaju izradu sofisticiranih funkcionalno stepenovanih komponenti za zaštitu koje tradicionalne metode jednostavno ne mogu obraditi. Brojke takođe izgledaju dosta dobro. Govorimo o smanjenju otpada materijala negde između 30 i 40 posto, što je velika stvar kada se radi sa skupim materijalima. A šta se tiče dimenzione tačnosti? Prema nedavnim studijama objavljenim u Časopisu za istraživanje materijala, oko 50 mikrometara. Shvatljivo je zbog čega sve više proizvođača počinje da obraća pažnju na ove nove pristupe.
Unatoč napretku, široka primena suočava se sa preprekama:
Нанокомпозити алумина-карбида силицијума показују побољшање атенуације гама зрака за 22% на 2 MeV у поређењу са монолитним керамикама. Увођењем 3 теж. % бор нитридних наноцева повећавају се пресекы за хватање неутрона за 40% без оштећења топлотне проводљивости, која остаје изнад 25 W/mK — што их чини добром опцијом за вишеструке компоненте за заштиту од зрачења.
Полимер-керамички хибриди, као што су епокси-карбид бора композити, постижу 80% ефикасности оловне заштите при 30% нижој тежини. Међутим, њихова температурна граница од 250°C ограничава употребу на помоћне системе, а не на језгра реактора где је потребна већа отпорност на високе температуре.
Керамички делови који се користе у нуклеарним применама морају да испуњавају строге глобалне захтеве за безбедност. Према ССГ-37 смерницама Међународне агенције за атомску енергију, материјали за заштиту би требало да могу да поднесу дозе зрачења изнад 100 милиона јединица Греја пре него што покажу било какве знакове структурних оштећења. Испуњавање стандарда АСМЕ БПВЦ-III и спецификација ИСО 17872:2020 помаже у осигуравању да ови материјали могу ефикасно да апсорбују неутроне барем до 85 процената у реакторима са притиснутом водом. Стручњаци из индустрије су недавно ажурирали своје техничке препоруке тако што су укључили стално праћење ситних пукотина у керамичким компонентама новијих електрана треће генерације плус. Овакав проактивни приступ показао се ефикасним у смањењу потенцијалних кварова за отприлике 40 до 45 процената у поређењу са старијим системима заштите који су и даље у употреби данас.
Savremene nuklearne elektrane obično kombinuju keramičke blokove sa izdržljivim betonom koji sadrži magnetit (Fe3O4) ili serpentinske materijale kako bi izgradile slojevite barijere za zračenje. Ova kombinacija deluje bolje nego korišćenje samo keramičkih zidova, smanjujući gama zrake za oko 22%. Postoji jedan problematični aspekt – keramika i beton se različito šire pri zagrevanju. Keramika se širi za oko 5,8 mikrometara po metru po stepenu Celzijusa, dok se beton širi još više. Zbog toga inženjeri umetnu specijalne slojeve cirkonija sa gradijentnim svojstvima između njih. Ovi međuslojevi pomažu u održavanju stabilnosti celokupne konstrukcije čak i kada temperature dostignu do 650 stepeni Celzijusa tokom normalnog rada.
EN
