Керамічні цеглини, що використовуються на атомних електростанціях, забезпечують життєво важливу герметизацію завдяки своїй винятковій здатності протидіяти радіації та зберігати стабільність навіть за підвищених температур. Ці цеглини виготовлені з карбіду цирконію із застосуванням армування карбідом кремнію, що створює матеріали, які мають щільність близько 98% від теоретично можливої. Така щільна упаковка залишає мінімум порожнин, через які може проникати радіація. Під впливом нейтронного опромінення при температурі близько 1000 градусів Цельсія об'єм цих цеглин розширюється менше ніж на піввідсотка. Це значно краще, ніж у звичайного бетону, який схильний до деформації та утворення тріщин із часом. Для операторів станцій, які піклуються про безпечність протягом десятиліть, така структурна стабільність має вирішальне значення.
У реакторах з підвищеним тиском води (PWR) керамічні цеглини виконують три ключові функції в умовах екстремального експлуатаційного навантаження:
Ці функції забезпечуються завдяки здатності матеріалу зберігати міцність на розтяг понад 200 МПа при температурі 1200 °C — поріг, який перевищує можливості більшості сталевих сплавів.
Кераміка, призначена для ядерних застосувань, містить ізотопи бору-10 для ефективного поглинання теплових нейтронів, оскільки вони мають дуже великий переріз захоплення — близько 3837 барнів. Вона також містить частинки вольфраму, які допомагають блокувати гамма-промені завдяки фотоефекту при енергіях нижче 3 МеВ. Згідно з дослідженням, опублікованим минулого року, стіни з таких керамічних цеглин товщиною близько 30 сантиметрів можуть зменшити потік швидких нейтронів майже на 92 відсотки. Це фактично краще, ніж у подібних стін із свинцево-боратного скла, які забезпечують лише близько 78% зниження. Те, що ці цеглини так добре затримують обидва типи випромінювання, означає, що вони стають все важливішими для створення компактних, але дуже ефективних рішень для радіаційного захисту в нових проектах реакторів, які найближчим часом будуть запущені в експлуатацію.
Нові методи спікання, поєднані з інженерією меж зерен, підвищили міцність кераміки ядерного класу на розтяг до значення понад 600 МПа. Коли йде мова про суміші карбіду кремнію та дібориду цирконію, вони демонструють приблизно на 40–60 відсотків кращий опір тріщинам у порівнянні зі стандартними матеріалами на основі глинозему, що традиційно використовувалися. Справжнім козирем цих керамічних матеріалів є їхня здатність зберігати форму навіть за умов опромінення нейтронами, інтенсивність якого сягає 15 переміщень на атом. Така стабільність має велике значення для деталей реактора, які мають служити десятиліттями під постійним впливом радіації всередині електростанцій, розрахованих на безперервну роботу понад сорок років.
Матеріали, відомі як ультрависокотемпературні кераміки (UHTC), можуть витримувати умови в реакторах з температурою понад 2000 градусів Цельсія, оскільки вони утворюють захисні оксидні шари на своїх поверхнях, мають дуже низькі коефіцієнти теплового розширення — близько 4,5 × 10⁻⁶ на Кельвін — і зберігають структурну цілісність незважаючи на дефекти в кристалічній решітці. Зокрема, карбід гафнію демонструє лише 2-відсоткову зміну об'єму після проходження 500 циклів нагрівання та охолодження від 300 до 1800 градусів Цельсія. Це робить його приблизно в вісім разів міцнішим у порівнянні з традиційним графітом, коли випробовується в умовах швидкого старіння в лабораторних умовах.
У таблиці нижче наведено порівняння ефективності екранування від нейтронів серед поширених керамічних матеріалів:
| Матеріал | Послаблення нейтронів (діапазон MeV) | Екранування гамма-променів | Термін експлуатації |
|---|---|---|---|
| Бор карбід | 0,025–14 (теплові-швидкі) | Середня | 15–20 років |
| Диборид гафнію | 0,1–10 (епітермальні-швидкі) | Високих | 25+ років |
| Карбід вольфраму | 1–14 (швидкі нейтрони) | Екстремальний | 12–15 років |
Останні досягнення у галузі адитивного виробництва дозволяють створювати багатошарові екрануючі архітектури, які поєднують переваги цих матеріалів та зменшують вагу компонентів на 22–35% порівняно з монолітними конструкціями. Ця інновація безпосередньо вирішує проблеми довговічності, виявлені в прототипах реакторів покоління III+, забезпечуючи тривалу безпеку та ефективність роботи.
Тести, проведені на 18 блоках з підтиском води, показали, що ці спеціальні ядерні керамічні цегли зберігають близько 98% своєї початкової міцності навіть після п'яти років постійного опромінення інтенсивними нейтронами. У разі екстремальних температурних змін приблизно за 650 градусів Цельсія вони витримують вражаючі 12 000 годин без утворення мікротріщин, що насправді на 15% краще за те, що Міжнародне агентство з атомної енергії вважає прийнятним для довготривалої надійності. Спосіб виготовлення цих цеглин забезпечує їм приблизно на 40% більший захист від радіаційних пошкоджень порівняно зі звичайними екрануючими матеріалами, що використовуються в електростанціях сьогодні. Це було підтверджено в ході різних експериментів, спрямованих на вивчення стійкості різних матеріалів до теплових навантажень у нових типах ядерних реакторів, що розробляються сьогодні.
Сьогодні на атомних електростанціях почали використовувати керамічні цеглини, сумішані з такими речовинами, як карбід бору, що поглинає нейтрони. Ці нові матеріали зменшують проникнення гамма-променів приблизно на 62 відсотки порівняно зі старішими варіантами, зберігаючи при цьому свою структурну гнучкість. Аналіз даних із реальних експлуатаційних показників європейських реакторів з під тиском показує цікавий факт: керамічний захист потребує приблизно на три чверті менше технічного обслуговування, ніж звичайні бетонні бар'єри, якщо розглядати період у десять років. Наразі науковці працюють над подальшим удосконаленням цих матеріалів шляхом використання конструкцій із градієнтною щільністю. Це допомагає їм краще протистояти тепловим ударам, що має велике значення для сучасних конструкцій реакторів, які під час роботи зазнають раптових змін температури.
Сучасні ядерні керамічні цеглини отримують користь від проривів у галузі матеріалознавства та технологій виробництва. Хоча традиційне спікання залишається основоположним, адитивне виробництво (AM) дозволяє створювати складні геометрії, які раніше було неможливо реалізувати. Дослідження 2024 року показує, що кераміка, виготовлена методом AM, досягає густини 98,5% із покращеною стійкістю до радіації, зменшуючи витік нейтронів на 18% порівняно з литими аналогами.
Спікання під газовим тиском залишається основним методом виготовлення надщільних цеглин з карбіду цирконію, необхідних для високопродуктивних застосувань. Проте адитивне виробництво сьогодні змінює ситуацію. Методи, такі як струминне склеювання та стереолітографія, дозволяють створювати функціонально градієнтні екрануючі компоненти, що недоступні для традиційних методів. Показники теж виглядають добре: скорочення втрат матеріалу на 30–40%, що є важливим фактором при роботі з дорогими матеріалами. А що стосується точності розмірів — за даними останніх досліджень, опублікованих у Journal of Materials Research, вона становить близько 50 мікрометрів. Тож зрозуміло, чому все більше виробників звертають увагу на ці нові підходи.
Незважаючи на прогрес, масове впровадження стикається з перешкодами:
Нанокомпозити на основі оксиду алюмінію та карбіду кремнію демонструють покращення на 22% у затриманні гамма-променів при 2 МеВ порівняно з монолітною керамікою. Додавання 3 мас.% нанотрубок нітриду бору збільшує переріз захоплення нейтронів на 40% без погіршення теплопровідності, яка залишається вище 25 Вт/м·К — що робить їх перспективними кандидатами для багатофункціональних екрануючих компонентів.
Полімерно-керамічні гібриди, такі як композити на основі епоксидної смоли та карбіду бору, забезпечують 80% ефективності екранування свинцю при на 30% меншій вазі. Однак їхня температурна межа у 250 °C обмежує застосування лише допоміжними системами, а не ядрами реакторів, де потрібна вища стійкість до високих температур.
Керамічні деталі, що використовуються в ядерних застосунках, повинні відповідати суворим міжнародним вимогам безпеки. Згідно з рекомендаціями Міжнародного агентства з атомної енергії SSG-37, матеріали для екранування повинні витримувати дози опромінення понад 100 мільйонів грей до появи будь-яких ознак структурних пошкоджень. Відповідність стандартам ASME BPVC-III та специфікаціям ISO 17872:2020 допомагає забезпечити ефективність поглинання нейтронів на рівні принаймні 85 відсотків у реакторах з підвищеним тиском води. Експерти галузі нещодавно оновили свої технічні рекомендації, включивши до них постійний моніторинг найдрібніших тріщин у керамічних компонентах нових установок покоління III+. Такий проактивний підхід, як показали дослідження, дозволяє скоротити потенційні відмови приблизно на 40–45 відсотків порівняно зі старішими системами екранування, що досі експлуатуються.
Сучасні атомні електростанції зазвичай поєднують керамічну цеглу зі спеціальним важким бетоном, що містить магнетит (Fe3O4) або серпентинові матеріали, для створення багатошарових радіаційних бар'єрів. Таке поєднання працює краще, ніж використання лише керамічних стін, зменшуючи гамма-промені приблизно на 22%. Проте існує одна складність — кераміка і бетон по-різному розширюються при нагріванні. Кераміка розширюється приблизно на 5,8 мікрометрів на метр на градус Цельсія, тоді як бетон розширюється ще більше. Саме тому інженери вставляють між ними спеціальні шаруваті шари цирконію. Ці проміжні шари допомагають зберігати стабільність усієї конструкції, навіть коли температура під час нормальної роботи досягає 650 градусів Цельсія.
EN
