อิฐเซรามิกที่ใช้ในโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ให้ความสามารถในการกักเก็บที่สำคัญอย่างยิ่ง เนื่องจากคุณสมบัติพิเศษในการต้านทานรังสีและรักษาความคงตัวแม้อุณหภูมิจะสูงขึ้น อิฐเหล่านี้ทำจากคาร์ไบด์ของธาตุซิลิคอนที่เสริมด้วยคาร์ไบด์ของธาตุซิโคลเนียม ซึ่งสร้างวัสดุที่มีความหนาแน่นประมาณ 98% ของค่าทฤษฎีสูงสุด ส่งผลให้มีช่องว่างน้อยมากที่รังสีสามารถรั่วไหลออกไปได้ เมื่อสัมผัสกับการชนของนิวตรอนที่อุณหภูมิประมาณ 1000 องศาเซลเซียส อิฐเหล่านี้จะขยายตัวน้อยกว่าครึ่งเปอร์เซ็นต์ในปริมาตร ซึ่งดีกว่าวัสดุคอนกรีตทั่วไปที่มักจะบิดเบี้ยวและแตกร้าวเมื่อเวลาผ่านไป สำหรับผู้ประกอบการโรงงานที่กังวลเกี่ยวกับระยะปลอดภัยที่ต้องคงอยู่ยาวนานหลายทศวรรษ ความสม่ำเสมอของโครงสร้างเช่นนี้จึงมีความสำคัญอย่างยิ่ง
ในเครื่องปฏิกรณ์น้ำความดันสูง (PWRs) อิฐเซรามิกทำหน้าที่สามประการหลักภายใต้สภาวะความเครียดในการดำเนินงานที่รุนแรง:
หน้าที่เหล่านี้เกิดขึ้นได้จากความสามารถของวัสดุในการคงความแข็งแรงต่อแรงดึงไว้มากกว่า 200 MPa ที่อุณหภูมิ 1200°C—ซึ่งเป็นค่าที่เกินขีดจำกัดของโลหะผสมเหล็กส่วนใหญ่
เซรามิกที่ใช้ในงานนิวเคลียร์มีการเติมไอโซโทปโบโรน-10 เพื่อดูดซับนิวตรอนความร้อนได้อย่างมีประสิทธิภาพ เนื่องจากมีพื้นที่หน้าตัดการจับสูงมากถึงประมาณ 3837 บาร์น นอกจากนี้ยังมีอนุภาคทังสเตนที่ช่วยป้องกันรังสีแกมมาผ่านปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริก เมื่อพลังงานต่ำกว่า 3 เมกะอิเล็กตรอนโวลต์ ตามผลการวิจัยที่เผยแพร่เมื่อปีที่แล้ว ผนังที่ทำจากอิฐเซรามิกเหล่านี้ที่มีความหนาประมาณ 30 เซนติเมตร สามารถลดฟลักซ์ของนิวตรอนเร็วได้เกือบ 92 เปอร์เซ็นต์ ซึ่งดีกว่าผนังที่ทำจากแก้วโบโรน-ตะกั่วในระดับเดียวกัน ที่สามารถลดได้เพียงประมาณ 78 เปอร์เซ็นต์เท่านั้น ความจริงที่ว่าอิฐเหล่านี้สามารถป้องกันรังสีทั้งสองชนิดได้ดีมาก ทำให้มันมีความสำคัญเพิ่มขึ้นอย่างมากในการสร้างโซลูชันป้องกันรังสีที่มีขนาดเล็กลงแต่ยังคงมีประสิทธิภาพสูง ในแบบปฏิกรณ์ใหม่ที่กำลังจะเปิดใช้งานในไม่ช้า
วิธีการเผาตัวแบบใหม่ที่ผสานกับวิศวกรรมขอบเม็ดผลึก ได้ผลักดันเซรามิกเกรดนิวเคลียร์ให้มีความแข็งแรงต่อแรงดึงเกินกว่า 600 เมกะพาสคัล การผสมซิลิคอนคาร์ไบด์กับไซโรวิเนียมไดโบไรด์ แสดงให้เห็นถึงความต้านทานการแตกร้าวที่ดีขึ้นประมาณ 40 ถึง 60 เปอร์เซ็นต์ เมื่อเทียบกับวัสดุอลูมินาทั่วไปที่ใช้กันมาโดยทั่วไป สิ่งที่ทำให้เซรามิกเหล่านี้โดดเด่นจริงๆ คือความสามารถในการคงรูปร่างไว้ได้แม้จะถูกโจมตีด้วยนิวตรอนที่มีความเข้มข้นสูงถึง 15 การแปรสภาพต่ออะตอม ความเสถียรในระดับนี้มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อชิ้นส่วนของเครื่องปฏิกรณ์ที่ต้องทนทานตลอดอายุการใช้งานหลายสิบปีภายใต้รังสีต่อเนื่องภายในโรงไฟฟ้าที่ออกแบบมาเพื่อทำงานต่อเนื่องมากกว่าสี่สิบปี
วัสดุที่รู้จักกันในชื่อเซรามิกส์อุณหภูมิสูงพิเศษ (UHTCs) สามารถทนต่อสภาพแวดล้อมในเครื่องปฏิกรณ์ที่มีอุณหภูมิเกิน 2000 องศาเซลเซียสได้ เนื่องจากวัสดุเหล่านี้จะสร้างชั้นออกไซด์ป้องกันผิวหน้า มีอัตราการขยายตัวจากความร้อนต่ำมากอยู่ที่ประมาณ 4.5 × 10⁻⁶ ต่อเคลวิน และยังคงความสมบูรณ์ของโครงสร้างแม้มีข้อบกพร่องในตาข่ายผลึก โดยเฉพาะวัสดุฮาฟเนียมคาร์ไบด์ วัสดุเหล่านี้แสดงการเปลี่ยนแปลงปริมาตรเพียง 2 เปอร์เซ็นต์ หลังผ่านกระบวนการให้ความร้อนและทำให้เย็นลง 500 รอบ จาก 300 ถึง 1800 องศาเซลเซียส ส่งผลให้มีความทนทานสูงกว่ากราไฟต์แบบดั้งเดิมประมาณแปดเท่า เมื่อทดสอบภายใต้สภาวะเร่งการเสื่อมสภาพในห้องปฏิบัติการ
ตารางด้านล่างเปรียบเทียบประสิทธิภาพการป้องกันนิวตรอนในวัสดุเซรามิกส์ทั่วไป:
| วัสดุ | การลดทอนนิวตรอน (ช่วง MeV) | การป้องกันรังสีแกมมา | อายุการใช้งานในการดำเนินงาน |
|---|---|---|---|
| บอรองคาร์ไบด์ | 0.025–14 (ความเร็วต่ำ-ความเร็วสูง) | ปานกลาง | 15–20 ปี |
| ฮาฟเนียมไดโบไรด์ | 0.1–10 (กึ่งความเร็ว-ความเร็วสูง) | แรงสูง | 25+ ปี |
| ทังสเตนคาร์ไบด์ | 1–14 (นิวตรอนความเร็วสูง) | สุดขั้ว | 12–15 ปี |
ความก้าวหน้าล่าสุดในเทคโนโลยีการผลิตแบบเติมเนื้อวัสดุช่วยให้สามารถสร้างโครงสร้างป้องกันแบบชั้นที่รวมจุดแข็งของวัสดุเหล่านี้เข้าด้วยกัน ขณะเดียวกันยังลดน้ำหนักของชิ้นส่วนลงได้ 22–35% เมื่อเทียบกับการออกแบบแบบโมโนลิธิก นวัตกรรมนี้แก้ไขปัญหาความทนทานที่พบในต้นแบบเครื่องปฏิกรณ์รุ่นที่ III+ โดยรับประกันความปลอดภัยและการทำงานที่ยาวนาน
การทดสอบที่ดำเนินการกับเครื่องปฏิกรณ์น้ำความดันสูง 18 หน่วยแสดงให้เห็นว่า อิฐเซรามิกนิวเคลียร์พิเศษเหล่านี้ยังคงรักษาความแข็งแรงไว้ประมาณ 98% ของค่าเดิม แม้จะถูกแผ่รังสีนิวตรอนอย่างเข้มข้นต่อเนื่องเป็นเวลาห้าปี โดยเมื่อผ่านการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างรุนแรงที่ประมาณ 650 องศาเซลเซียส อิฐเหล่านี้สามารถทนได้นานถึง 12,000 ชั่วโมงโดยไม่เกิดรอยแตกร้าวเล็กๆ ซึ่งดีกว่าเกณฑ์ที่องค์การพลังงานปรมาณูระหว่างประเทศกำหนดสำหรับความทนทานในระยะยาวถึง 15% วิธีการผลิตอิฐเหล่านี้ทำให้มีความสามารถในการป้องกันความเสียหายจากรังสีมากกว่าวัสดุป้องกันทั่วไปที่ใช้อยู่ในโรงไฟฟ้าในปัจจุบันประมาณ 40% สิ่งนี้ได้รับการยืนยันแล้วจากการทดลองต่างๆ ที่ศึกษาประสิทธิภาพการทนความร้อนของวัสดุต่างๆ ในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์รุ่นใหม่ที่กำลังพัฒนาอยู่ในปัจจุบัน
ในปัจจุบัน โรงไฟฟ้านิวเคลียร์เริ่มใช้อิฐเซรามิกที่ผสมกับสารต่างๆ เช่น โบรอนคาร์ไบด์ ซึ่งสามารถดูดซับนิวตรอนได้ วัสดุใหม่เหล่านี้ช่วยลดการทะลุผ่านของรังสีแกมมาลงได้ประมาณ 62 เปอร์เซ็นต์ เมื่อเทียบกับวัสดุรุ่นเก่า โดยยังคงความยืดหยุ่นทางโครงสร้างไว้ได้อย่างสมบูรณ์ อีกทั้งข้อมูลจริงจากเครื่องปฏิกรณ์น้ำความดันสูงในยุโรปยังแสดงผลที่น่าสนใจอีกด้วย เนื่องจากระบบป้องกันด้วยเซรามิกต้องการงานบำรุงรักษาน้อยกว่ากำแพงคอนกรีตทั่วไปประมาณสามในสี่ เมื่อพิจารณาในช่วงเวลา 10 ปี ขณะนี้ นักวิจัยกำลังพัฒนาวัสดุเหล่านี้ให้ดียิ่งขึ้นผ่านการออกแบบความหนาแน่นแบบค่อยเป็นค่อยไป ซึ่งช่วยให้วัสดุทนต่อแรงกระแทกจากความร้อนได้ดีขึ้น ซึ่งถือเป็นสิ่งสำคัญอย่างมากสำหรับการออกแบบเครื่องปฏิกรณ์รุ่นใหม่ที่ต้องเผชิญกับการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างฉับพลันระหว่างการทำงาน
อิฐเซรามิกนิวเคลียร์สมัยใหม่ได้รับประโยชน์จากความก้าวหน้าทั้งในด้านวิทยาศาสตร์วัสดุและเทคโนโลยีการผลิต แม้ว่าการเผาให้แน่น (sintering) แบบดั้งเดิมยังคงเป็นพื้นฐาน แต่การผลิตแบบเพิ่มเนื้อวัสดุ (AM) ทำให้สามารถสร้างรูปทรงเรขาคณิตที่ซับซ้อนซึ่งไม่สามารถทำได้มาก่อน การศึกษาในปี 2024 แสดงให้เห็นว่า เซรามิกที่ผลิตด้วย AM มีความหนาแน่นถึง 98.5% พร้อมความสามารถทนต่อรังสีได้ดีขึ้น ช่วยลดการรั่วของนิวตรอนลง 18% เมื่อเทียบกับผลิตภัณฑ์หล่อแบบดั้งเดิม
การเผาซินเตอร์ด้วยแรงดันก๊าซยังคงเป็นวิธีที่นิยมใช้ในการผลิตอิฐคาร์ไบด์เซอร์โคเนียมที่มีความหนาแน่นสูงมาก ซึ่งจำเป็นสำหรับการใช้งานที่ต้องการสมรรถนะสูง แต่ในปัจจุบัน การผลิตแบบเพิ่มเนื้อวัสดุ (additive manufacturing) กำลังเปลี่ยนแปลงสิ่งต่าง ๆ ขึ้นมา เทคนิคอย่างเช่น การพิมพ์แบบผูกเนื้อ (binder jetting) และสเตอริโอโฟโทลิเทอรี (stereolithography) เปิดโอกาสให้สามารถสร้างชิ้นส่วนเกราะป้องกันชนิดฟังก์ชันแกรด (functionally graded) ที่ซับซ้อน ซึ่งวิธีการเดิมทำไม่ได้ ตัวเลขที่ได้ก็ดูน่าประทับใจไม่น้อย โดยสามารถลดของเสียจากวัสดุได้ประมาณ 30 ถึง 40 เปอร์เซ็นต์ ซึ่งถือเป็นเรื่องสำคัญมากเมื่อต้องจัดการกับวัสดุราคาแพง และความแม่นยำทางมิติอยู่ที่ประมาณ 50 ไมโครเมตร ตามที่มีการตีพิมพ์ในวารสาร Journal of Materials Research เมื่อไม่นานมานี้ จึงไม่แปลกใจเลยที่ผู้ผลิตจำนวนมากเริ่มให้ความสนใจวิธีการใหม่เหล่านี้
แม้จะมีความก้าวหน้า แต่การนำไปใช้อย่างแพร่หลายยังคงต้องเผชิญกับอุปสรรค:
นาโนคอมโพสิตอลูมินา-ซิลิคอนคาร์ไบด์แสดงให้เห็นถึงประสิทธิภาพในการลดความเข้มของรังสีแกมมาที่ระดับ 2 MeV สูงขึ้น 22% เมื่อเทียบกับเซรามิกส์ชนิดเดี่ยว การเติมนาโนทูบโบรอนไนไตรด์ 3 เปอร์เซ็นต์โดยน้ำหนัก จะช่วยเพิ่มพื้นที่ภาคตัดขวางในการจับนิวตรอนได้มากขึ้น 40% โดยไม่ทำให้การนำความร้อนลดลง ซึ่งยังคงอยู่เหนือ 25 W/mK — ทำให้วัสดุดังกล่าวเป็นตัวเลือกที่น่าสนใจสำหรับชิ้นส่วนป้องกันรังสีอเนกประสงค์
วัสดุผสมพอลิเมอร์-เซรามิกส์ เช่น คอมโพสิตอีพอกซี-โบรอนคาร์ไบด์ สามารถป้องกันรังสีได้ถึง 80% เมื่อเทียบกับตะกั่ว แต่มีน้ำหนักเบากว่า 30% อย่างไรก็ตาม อุณหภูมิสูงสุดที่ทนได้เพียง 250°C จำกัดการใช้งานไว้เฉพาะระบบที่ไม่ใช่แกนปฏิกรณ์ ซึ่งต้องการความทนทานต่ออุณหภูมิสูงกว่า
ชิ้นส่วนเซรามิกที่ใช้ในงานด้านนิวเคลียร์จำเป็นต้องเป็นไปตามข้อกำหนดด้านความปลอดภัยระดับโลกอย่างเข้มงวด ตามแนวทางขององค์การพลังงานปรมาณูระหว่างประเทศ (IAEA) ในเอกสาร SSG-37 วัสดุป้องกันรังสีควรสามารถทนต่อปริมาณรังสีได้มากกว่า 100 ล้านเกรย์ ก่อนที่จะเริ่มแสดงสัญญาณความเสียหายทางโครงสร้าง การปฏิบัติตามมาตรฐาน ASME BPVC-III และข้อกำหนด ISO 17872:2020 ช่วยให้มั่นใจได้ว่าวัสดุดังกล่าวสามารถดูดซับนิวตรอนได้อย่างมีประสิทธิภาพไม่ต่ำกว่า 85 เปอร์เซ็นต์ ในเครื่องปฏิกรณ์น้ำภายใต้แรงดัน ผู้เชี่ยวชาญในอุตสาหกรรมได้อัปเดตคำแนะนำทางเทคนิคล่าสุดเพื่อรวมการตรวจสอบต่อเนื่องสำหรับรอยแตกร้าวขนาดเล็กในชิ้นส่วนเซรามิกของโรงไฟฟ้านิวเคลียร์รุ่นใหม่รุ่นที่ III+ แนวทางเชิงรุกนี้แสดงให้เห็นว่าสามารถลดความล้มเหลวที่อาจเกิดขึ้นได้ประมาณ 40 ถึง 45 เปอร์เซ็นต์ เมื่อเทียบกับระบบป้องกันรังสีรุ่นเก่าที่ยังคงใช้งานอยู่ในปัจจุบัน
โรงไฟฟ้านิวเคลียร์สมัยใหม่มักใช้อิฐเซรามิกประกอบกับคอนกรีตหนักที่มีส่วนผสมของแมกนีไทด์ (Fe3O4) หรือวัสดุเซอร์เพนทีน เพื่อสร้างชั้นกันรังสีแบบหลายชั้น การรวมกันนี้ให้ประสิทธิภาพดีกว่าการใช้ผนังเซรามิกเพียงอย่างเดียว โดยสามารถลดรังสีแกมมาได้ประมาณ 22% อย่างไรก็ตาม มีปัญหาหนึ่งที่ซับซ้อน คือ เซรามิกและคอนกรีตมีอัตราการขยายตัวเมื่อถูกความร้อนไม่เท่ากัน เซรามิกจะขยายตัวที่อัตราประมาณ 5.8 ไมโครเมตรต่อเมตรต่อองศาเซลเซียส ในขณะที่คอนกรีตขยายตัวมากกว่านั้น ด้วยเหตุนี้ วิศวกรจึงใส่ชั้นเซราเนียมออกไซด์เกรดพิเศษไว้ระหว่างวัสดุทั้งสอง ชั้นกลางนี้ช่วยรักษาความมั่นคงของโครงสร้างทั้งหมด แม้อุณหภูมิจะสูงถึง 650 องศาเซลเซียสในระหว่างการดำเนินงานปกติ
EN
