Công nghệ nhiên liệu TRISO tạo nền tảng cho những viên gốm được sử dụng trong các ứng dụng năng lượng hạt nhân. Những hạt nhỏ này chỉ có kích thước vài milimét nhưng chứa nhiên liệu urani được bao bọc bởi nhiều lớp bảo vệ làm bằng silicon carbide và carbon. Cấu trúc này tạo thành một hệ thống chứa mini, ngăn không cho các vật liệu phóng xạ thoát ra ngoài, ngay cả khi tiếp xúc với nhiệt độ cực cao trên 1800 độ Celsius. Các thử nghiệm do các tổ chức an toàn hạt nhân hàng đầu thực hiện cho thấy các hạt TRISO này giữ lại khoảng 99,99 phần trăm sản phẩm phụ phóng xạ bên trong trong điều kiện khắc nghiệt. Điều này khiến chúng trở nên vô cùng quan trọng trong việc đảm bảo vận hành an toàn tại các lò phản ứng hiện đại, giúp các kỹ sư yên tâm hơn về nguy cơ rò rỉ hoặc sự cố.
Hiệu quả của lớp chắn gốm bắt nguồn từ cấu trúc vật liệu theo từng lớp, kết hợp làm chậm neutron, hấp thụ neutron và suy giảm tia gamma:
| Vật liệu lớp | Chức năng | Ngưỡng Chịu Được Bức Xạ |
|---|---|---|
| Carbua Silic (SiC) | Hàng rào cấu trúc chính và chất làm chậm neutron | Lên đến 1.800°C |
| Boron-Cacbua (Bâ₄C) | Hấp thụ neutron | 800°C liên tục |
| Được Tăng Cường Vonfram | Giảm cường độ tia gamma | >300 keV năng lượng photon |
Theo các nghiên cứu năm 2023, gốm có mật độ cao như vật liệu tổng hợp vonfram-bismuth giảm khả năng xuyên thấu của bức xạ gamma tới 80% so với lớp chắn thép truyền thống. Thiết kế đa chức năng này cho phép tản nhiệt hiệu quả đồng thời cung cấp khả năng bảo vệ vững chắc trước cả bức xạ neutron và gamma.
Tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Idaho, các nhà nghiên cứu đã kiểm tra khả năng của các viên gốm dựa trên TRISO trong điều kiện mất điện kéo dài mô phỏng. Các thử nghiệm đã đẩy nhiệt độ vượt quá 3.000°F (1.650°C) trong hơn 400 giờ liên tục, mức cao hơn nhiều so với điều kiện thông thường mà lò phản ứng phải chịu. Điểm nổi bật là mức suy giảm tia gamma luôn duy trì ở mức trên 97% trong suốt quá trình thử nghiệm. Kết quả này phù hợp với dữ liệu của Cơ quan Năng lượng Nguyên tử Quốc tế, cho thấy nhiên liệu được bọc gốm có thể giảm phát thải phóng xạ trong các sự cố khoảng 90% so với các thanh nhiên liệu oxit urani truyền thống. Một khía cạnh thú vị khác là bản thân vật liệu gốm thực tế trở nên cứng hơn khi bị bức xạ tấn công, làm tăng đáng kể khả năng chống lại hiện tượng tan chảy ngay cả khi hệ thống làm mát hoàn toàn thất bại.
Silicon carbide (SiC) cùng với graphite đóng vai trò quan trọng trong việc giữ cho các viên gốm ổn định cả về mặt nhiệt học lẫn bức xạ. Thành phần SiC vẫn duy trì độ bền ngay cả khi nhiệt độ vượt quá 1600 độ C, và không dễ bị phân hủy khi tiếp xúc với dòng neutron trên 10^21 n mỗi cm². Điều này có nghĩa là những vật liệu này có thể tồn tại lâu hơn nhiều trong điều kiện khắc nghiệt. Graphite cũng góp phần bằng cách hấp thụ các neutron khó chịu này đồng thời truyền nhiệt hiệu quả nhờ vào tính chất dẫn nhiệt theo hướng của nó. Nếu thiếu sự kết hợp này, các điểm nóng nguy hiểm sẽ hình thành bên trong lõi phản ứng, có thể dẫn đến những vấn đề nghiêm trọng về sau.
Khi các vật liệu gốm được bổ sung boron-10, chúng có thể hấp thụ khoảng 94% neutron nhiệt gây khó chịu này thông qua quá trình phản ứng gọi là 10B(n,α)7Li. Khi nói đến việc ngăn chặn tia gamma, các vật liệu có số nguyên tử cao sẽ phát huy hiệu quả tốt nhất. Tungsten và bismuth nổi bật ở điểm này vì chúng đặc biệt vượt trội trong việc hấp thụ các photon năng lượng cao này thông qua hiện tượng gọi là hiệu ứng quang điện. Việc kết hợp một vật liệu composite chỉ dày 3 centimet làm từ boron carbide trộn với tungsten có thể giảm cường độ bức xạ gamma gần như xuống mức không—khoảng 99,8% sự suy giảm. Loại bảo vệ này đối với cả bức xạ neutron và gamma đã được xác nhận qua các thử nghiệm, bao gồm các phát hiện mới đây do Cơ quan Năng lượng Nguyên tử Quốc tế công bố vào năm 2023.
Các vật liệu được gọi là gốm pha MAX, bao gồm các hợp chất như Ti3SiC2 và Cr2AlC, kết hợp những đặc tính tốt nhất của kim loại và gốm. Những chất này có độ bền đáng kể khi chịu nứt vỡ, thể hiện hiệu suất cao gấp khoảng ba lần so với silicon carbide thông thường. Điều làm chúng thêm thú vị là khả năng làm chậm neutron một cách hiệu quả. Các nghiên cứu do các nhà khoa học tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Oak Ridge thực hiện đã chỉ ra một điều khá ấn tượng. Khi đối mặt với tình huống mất chất làm mát, những vật liệu này vẫn duy trì ổn định ở nhiệt độ lên tới 800 độ C trong suốt hơn ba ngày liên tục. Độ bền vững này đã thu hút sự chú ý từ các nhà khoa học đang phát triển các lò phản ứng hạt nhân thế hệ mới, đặc biệt là những thiết kế tiên tiến liên quan đến muối nóng chảy và các khái niệm thiết kế đột phá khác.
Các ranh giới hạt được cấu trúc hóa nano theo thiết kế trong các viên gốm kìm hãm sự hình thành bong bóng heli – nguyên nhân phổ biến gây phồng do bức xạ. Các thử nghiệm lão hóa tăng tốc cho thấy sự thay đổi thể tích dưới 0,2% sau khi tiếp xúc tương đương với 40 năm hoạt động của lò phản ứng. Dải độ xốp chủ đích từ 8–12% giúp hấp thụ giãn nở nhiệt mà không làm giảm mật độ hay hiệu suất chắn bức xạ, đảm bảo độ tin cậy dài hạn.
Các hạt TRISO có thiết kế gốm bốn lớp đặc biệt này giúp giữ mọi thứ được chứa kín rất tốt. Xung quanh lõi urani thực tế là một lớp đệm carbon xốp, có tác dụng hấp thụ toàn bộ các ứng suất cơ học và nhiệt mà nếu không sẽ gây ra sự cố. Xét đến lớp carbide silic, đây về cơ bản là hệ thống phòng thủ chính ở đây. Điều xảy ra là các chất phóng xạ được giữ nguyên tại chỗ với hiệu quả trên 99,9 phần trăm ngay cả khi nhiệt độ đạt khoảng 1600 độ C. Sau đó chúng ta có các lớp carbon pyrolytic trong và ngoài. Chúng thực hiện hai chức năng chính. Thứ nhất, chúng tạo ra sự hỗ trợ về cấu trúc; thứ hai, chúng ngăn chặn bất kỳ phản ứng hóa học không mong muốn nào xảy ra giữa lõi urani và lớp carbide silic. Toàn bộ cấu trúc này đảm bảo hạt duy trì nguyên vẹn ngay cả khi nhiệt độ thay đổi nhanh chóng qua lại.
Kiểm tra tăng tốc mô phỏng hàng thập kỷ tiếp xúc neutron trong vài tuần. Sau 10.000 giờ trong điều kiện dòng neutron cao (10¹n/cm²), lớp phủ TRISO vẫn giữ hơn 98% độ bền ban đầu. Lớp SiC gần như không thấm được, với độ xốp dưới 0,01% sau khi tiếp xúc với liều bức xạ gamma vượt quá 200 MGy—hiệu quả ngăn chặn các vết nứt vi mô có thể dẫn đến rò rỉ.
Kích thước lớp chính xác cân bằng giữa việc chứa bức xạ và quản lý nhiệt:
| Lớp | Độ dày (µm) | Chức năng Chính |
|---|---|---|
| Lớp đệm carbon xốp | 50–100 | Hấp thụ ứng suất nhiệt |
| Carbon pyrolytic bên trong | 20–40 | Ngăn phản ứng giữa hạt nhân và SiC |
| Silicon Carbide | 30–50 | Chặn các sản phẩm phân hạch |
| Carbon pyrolytic bên ngoài | 40–60 | Chống suy giảm cơ học |
Các mô phỏng cho thấy việc tăng lớp SiC từ 25 µm lên 35 µm cải thiện khả năng chặn neutron tới 60%, giảm đáng kể nguy cơ rò rỉ bức xạ.
Các nhà sản xuất hiện nay tuân theo tiêu chuẩn ISO 21439:2023 để đạt được độ chính xác kích thước cao (<0,5% sai lệch). Các hệ thống phủ tự động đạt năng suất sản xuất 95%, hỗ trợ sản lượng hàng năm vượt quá 10 triệu nhân nhiên liệu mỗi lần nạp lò phản ứng—tăng 300% kể từ năm 2020. Quy mô này đảm bảo chất lượng ổn định khi triển khai trong các lò phản ứng dạng viên và lò phản ứng muối nóng chảy trên toàn thế giới.
Boron carbide (B4C) đóng vai trò then chốt trong việc kiểm soát neutron vì nó có tiết diện hấp thụ rất cao đối với đồng vị 10B, cụ thể là khoảng 3.840 barn. Khi các nhà nghiên cứu thử nghiệm các viên gốm chứa khoảng 15% boron carbide, họ ghi nhận mức giảm gần 92% dòng neutron. Thử thách thực sự xuất hiện khi xử lý các mức năng lượng khác nhau. Vì vậy, các vật liệu hiện đại thường pha thêm gadolinium oxide (Gd2O3) đặc biệt để xử lý các neutron epithermal khó chịu này, trong khi thêm hafnium diboride (HfB2) lại hiệu quả hơn trong việc kiểm soát các neutron chuyển động nhanh. Những tổ hợp này thường đạt được tỷ lệ suy giảm từ 8 đến 12 cm⁻¹ tại các mức năng lượng khoảng 2 MeV, khiến chúng linh hoạt hơn nhiều so với các giải pháp cũ.
| Vật liệu | Dải năng lượng neutron | Hiệu suất hấp thụ (cm⁻¹) |
|---|---|---|
| Boron-Carbide | Nhiệt (<0,025 eV) | 10.2 |
| Gadolinium Oxide | Epithermal (1–100 eV) | 7.8 |
| Hafnium Diboride | Nhanh (>1 MeV) | 3.4 |
Đối với bảo vệ khỏi bức xạ gamma, các nhà sản xuất thường sử dụng các vật liệu nặng như cacbua vonfram hoặc oxit bitmut. Ví dụ, một tấm chắn gốm dày khoảng 10mm chứa khoảng 30 phần trăm cacbua vonfram. Cấu trúc này có thể giảm bức xạ gamma khoảng 85 phần trăm khi làm việc ở mức năng lượng khoảng 1,33 MeV. Hiệu suất này tương đương với những gì chúng ta đạt được từ các tấm chắn chì truyền thống, nhưng lại không đi kèm với các rủi ro về sức khỏe liên quan đến tiếp xúc với chì. Khi xem xét các lựa chọn dựa trên bitmut, khả năng chặn bức xạ của chúng được đo trong khoảng từ 0,12 đến 0,18 cm²/g. Những đặc tính này khiến gốm bitmut trở thành lựa chọn đặc biệt phù hợp trong các ứng dụng yêu cầu tiết kiệm không gian và đồng thời đáp ứng các tiêu chuẩn an toàn.
Các thiết kế tích hợp kết hợp B₄C, WC và SiC tạo ra các rào cản đa chức năng. Ví dụ, cấu trúc ba lớp (B₄C/WC/SiC) đạt được khả năng hấp thụ neutron trên 99% và suy giảm tia gamma 80% ở nhiệt độ vận hành lên tới 1.600°C, mang lại sự bảo vệ toàn diện trong một hệ thống duy nhất.
Việc bao bọc gốm đảm bảo các sản phẩm phân hạch như cesium-137 được giữ kín trong các tình huống sự cố. Lớp phủ SiC trong các hạt TRISO giữ lại 99,996% các nuclit phóng xạ ở nhiệt độ 1.800°C, như đã được xác nhận bởi các bài kiểm tra ứng suất của IAEA năm 2023. Sự chứa đựng thụ động này loại bỏ sự phụ thuộc vào làm mát bên ngoài hoặc can thiệp của con người, cải thiện đáng kể độ bền vững của lò phản ứng.
Các HTGR hoạt động ở nhiệt độ cực cao, thường trên 1.600 độ C, nhưng những viên gốm sử dụng ở đó vẫn giữ nguyên vẹn nhờ thiết kế đặc biệt của các hạt TRISO. Điều làm cho các vật liệu này trở nên đáng tin cậy chính là lớp vỏ cacbua silic có thể chịu được nhiệt độ trên 3.000 độ Fahrenheit mà không bị phân hủy. Điều này có nghĩa là lò phản ứng có thể tự làm mát một cách tự nhiên ngay cả khi không có người giám sát hoặc trong trường hợp mất điện. Nghiên cứu từ các tổ chức như IAEA đã chỉ ra lợi thế an toàn vốn có này, cho thấy những lò phản ứng này thực sự có thể tồn tại trong thời gian dài mà không cần điện. Khi các kỹ sư chạy mô phỏng các kịch bản xấu nhất, họ cũng phát hiện điều đáng kinh ngạc: nhiên liệu gốm ngăn chặn việc rò rỉ chất phóng xạ tốt hơn khoảng 98 phần trăm so với các thanh nhiên liệu thông thường trong các tình huống tương tự. Hiệu suất như vậy mang lại sự an tâm cho các nhân viên vận hành nhà máy, khi biết cơ sở của họ an toàn hơn nhiều trước các tai nạn.
Các viên gạch uranium oxit truyền thống phụ thuộc vào lớp vỏ bọc có thể nứt vỡ dưới tác động cơ học, trong khi các quả cầu gốm bao bọc nhiên liệu bên trong nhiều lớp bảo vệ, có khả năng chịu được tổn thương do bức xạ. Các thử nghiệm tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Oak Ridge đã chứng minh điều này, cho thấy các thiết kế mới này giảm rò rỉ nguy hiểm từ phản ứng hạt nhân gần 90% so với các phương pháp cũ. Một lợi thế lớn khác của công nghệ gốm là cách nó tương tác với nước. Vì vật liệu gốm không phản ứng mạnh với nước, nên nguy cơ tạo ra khí hydro dễ nổ sẽ giảm đáng kể nếu xảy ra sự cố trong lò phản ứng. Điều này làm cho chúng an toàn hơn nhiều so với các thiết kế lò phản ứng nước nhẹ thông thường, nơi mà việc tích tụ hydro đã từng là mối lo ngại chính.
Hơn mười lăm quốc gia bao gồm Hoa Kỳ, Trung Quốc và Pháp đã bắt đầu phát triển các hệ thống nhiên liệu gốm cho thế hệ công nghệ lò phản ứng tiếp theo của họ. Theo số liệu từ Hiệp hội Hạt nhân Thế giới công bố năm ngoái, các lò phản ứng được làm mát bằng khí nhiệt độ cao sử dụng các viên gốm có thể chiếm khoảng mười hai phần trăm tổng sản lượng điện hạt nhân toàn cầu vào giữa những năm 2030. Các nỗ lực chuẩn hóa hiện đang được tiến hành hy vọng sẽ giảm gần một nửa chi phí sản xuất TRISO trong vài năm tới. Việc giảm chi phí này sẽ giúp các loại nhiên liệu tiên tiến trở nên dễ tiếp cận hơn để triển khai trong cả các lò phản ứng mô-đun nhỏ và cả những thiết kế lò phản ứng vi mô nhỏ hơn mà nhiều công ty hiện đang thử nghiệm.
EN
