Các viên gạch gốm được sử dụng trong các nhà máy điện hạt nhân cung cấp khả năng bao bọc quan trọng nhờ khả năng chống lại bức xạ và duy trì độ ổn định ngay cả khi nhiệt độ tăng cao. Những viên gạch này được làm từ carbide zirconium với gia cố carbide silicon, tạo thành các vật liệu có mật độ đạt khoảng 98% so với giá trị lý thuyết tối đa. Việc đóng gói chặt chẽ này làm giảm thiểu các khe hở nơi bức xạ có thể thoát ra. Khi bị chiếu bởi chùm neutron ở nhiệt độ khoảng 1000 độ C, các viên gạch này nở thể tích dưới 0,5 phần trăm. Điều này tốt hơn nhiều so với bê tông thông thường, vốn có xu hướng biến dạng và nứt theo thời gian. Đối với các nhà vận hành nhà máy quan tâm đến biên an toàn kéo dài hàng thập kỷ, sự nhất quán về cấu trúc như vậy tạo nên sự khác biệt lớn.
Trong các lò phản ứng nước áp lực (PWRs), gạch gốm đảm nhiệm ba vai trò chính dưới tác động vận hành cực đoan:
Các chức năng này được thực hiện nhờ khả năng của vật liệu trong việc duy trì độ bền kéo trên 200 MPa ở nhiệt độ 1200°C—ngưỡng vượt quá khả năng của hầu hết các hợp kim thép.
Gốm sứ được đánh giá cho các ứng dụng hạt nhân kết hợp các đồng vị boron-10 để hấp thụ neutron nhiệt hiệu quả, vì chúng có tiết diện bắt giữ thực sự cao, khoảng 3837 barn. Chúng cũng chứa các hạt vonfram giúp chặn tia gamma thông qua cái gọi là hiệu ứng quang điện khi năng lượng dưới 3 MeV. Theo nghiên cứu được công bố năm ngoái, các bức tường được làm từ những viên gạch gốm dày khoảng 30 cm này có thể cắt giảm thông lượng neutron nhanh gần 92 phần trăm. Điều đó thực sự tốt hơn so với các bức tường tương tự được làm bằng kính chì-borat, chỉ quản lý giảm khoảng 78%. Thực tế là những viên gạch này xử lý cả hai loại bức xạ rất tốt có nghĩa là chúng ngày càng trở nên quan trọng đối với việc xây dựng các giải pháp che chắn bức xạ nhỏ hơn nhưng vẫn rất hiệu quả trong các thiết kế lò phản ứng mới sẽ sớm được đưa vào hoạt động.
Các phương pháp thiêu kết mới kết hợp với kỹ thuật thiết kế ranh giới tinh thể đã đẩy độ bền kéo của gốm cấp hạt nhân vượt ngưỡng 600 MPa trong các thử nghiệm. Khi nói đến hỗn hợp silicon carbide và zirconium diboride, chúng cho thấy khả năng chống nứt vỡ tốt hơn khoảng 40 đến 60 phần trăm so với các vật liệu alumina tiêu chuẩn vốn được sử dụng truyền thống. Điều làm nên sự nổi bật thực sự của những loại gốm này là khả năng giữ nguyên hình dạng ngay cả khi bị phơi nhiễm bức xạ neutron lên tới 15 lần thay thế mỗi nguyên tử. Loại độ ổn định này rất quan trọng đối với các bộ phận lò phản ứng cần phải hoạt động bền bỉ trong hàng thập kỷ liên tục dưới điều kiện bức xạ bên trong các nhà máy điện được thiết kế để vận hành liên tục hơn bốn mươi năm.
Các vật liệu được gọi là gốm chịu nhiệt độ cực cao (UHTCs) có thể tồn tại trong điều kiện lò phản ứng lên tới hơn 2000 độ Celsius vì chúng tạo thành các lớp oxit bảo vệ trên bề mặt, có tỷ lệ giãn nở nhiệt rất thấp khoảng 4,5 nhân 10 mũ trừ sáu trên Kelvin, và duy trì độ bền cấu trúc bất chấp các khuyết tật trong mạng tinh thể. Đặc biệt đối với hafnium carbide, các vật liệu này chỉ thay đổi thể tích 2 phần trăm sau khi trải qua 500 chu kỳ gia nhiệt và làm nguội từ 300 đến 1800 độ Celsius. Điều đó khiến chúng bền vững hơn khoảng tám lần so với graphite truyền thống khi được thử nghiệm trong điều kiện lão hóa nhanh trong môi trường phòng thí nghiệm.
Bảng dưới đây so sánh hiệu suất chắn neutron giữa các loại vật liệu gốm thông dụng:
| Vật liệu | Suy giảm neutron (dải MeV) | Chặn tia gamma | Tuổi thọ vận hành |
|---|---|---|---|
| Boron Carbide | 0,025–14 (nhiệt - nhanh) | Trung bình | 15–20 năm |
| Hafnium Diboride | 0,1–10 (siêu nhiệt - nhanh) | Cao | 25+ Năm |
| Carbua Tungsten | 1–14 (neutron nhanh) | Cực độ | 12–15 năm |
Những tiến bộ gần đây trong sản xuất cộng thêm cho phép các kiến trúc chắn lớp kết hợp ưu điểm của những vật liệu này đồng thời giảm trọng lượng linh kiện từ 22–35% so với thiết kế khối đặc. Đổi mới này trực tiếp giải quyết các thách thức về độ bền quan sát được trong các mẫu thử nghiệm lò phản ứng thế hệ III+, đảm bảo an toàn và hiệu suất lâu dài.
Các thử nghiệm được thực hiện trên 18 đơn vị lò phản ứng nước áp lực cho thấy những viên gạch gốm hạt nhân đặc biệt này giữ được khoảng 98% độ bền ban đầu ngay cả sau khi chịu bức xạ neutron mạnh liên tục trong năm năm. Khi trải qua những thay đổi nhiệt độ cực đoan ở mức khoảng 650 độ C, chúng có thể hoạt động tới 12.000 giờ mà không xuất hiện các vết nứt nhỏ, điều này thực tế tốt hơn 15% so với tiêu chuẩn mà Cơ quan Năng lượng Nguyên tử Quốc tế coi là chấp nhận được về độ bền lâu dài. Phương pháp sản xuất những viên gạch này mang lại khả năng bảo vệ chống hư hại do bức xạ cao hơn khoảng 40% so với các vật liệu chắn bức xạ thông thường hiện đang được sử dụng trong các nhà máy điện. Điều này đã được xác nhận thông qua nhiều thí nghiệm đánh giá hiệu suất chịu nhiệt của các loại vật liệu khác nhau trong các loại lò phản ứng hạt nhân mới đang được phát triển ngày nay.
Các nhà máy điện hạt nhân ngày nay đang bắt đầu sử dụng những viên gạch gốm được trộn với các chất như boron carbide, có khả năng hấp thụ neutron. Những vật liệu mới này làm giảm khả năng xuyên thấu của tia gamma khoảng 62 phần trăm so với các lựa chọn cũ hơn, đồng thời vẫn giữ nguyên tính linh hoạt về kết cấu. Nhìn vào dữ liệu thực tế từ các lò phản ứng nước áp lực ở châu Âu cũng cho thấy một điều thú vị. Lớp chắn bằng gốm thực tế cần ít công bảo trì khoảng ba phần tư so với các bức tường bê tông thông thường khi xét trong khoảng thời gian mười năm. Các nhà nghiên cứu hiện đang tiếp tục cải thiện những vật liệu này hơn nữa thông qua thiết kế mật độ phân cấp. Điều này giúp chúng chịu được sốc nhiệt tốt hơn, một yếu tố rất quan trọng đối với các thiết kế lò phản ứng mới hơn phải trải qua những thay đổi nhiệt độ đột ngột trong quá trình vận hành.
Các viên gạch gốm hạt nhân hiện đại được hưởng lợi từ những đột phá trong cả khoa học vật liệu và công nghệ sản xuất. Trong khi phương pháp nung kết truyền thống vẫn là nền tảng, thì sản xuất cộng thêm (AM) cho phép tạo ra các hình dạng phức tạp mà trước đây không thể đạt được. Một nghiên cứu năm 2024 chứng minh rằng các vật liệu gốm do AM sản xuất đạt độ đặc lên tới 98,5% với khả năng chịu bức xạ tốt hơn, giảm rò rỉ neutron 18% so với các sản phẩm đúc tương đương.
Phương pháp thiêu kết dưới áp suất khí vẫn là lựa chọn hàng đầu để sản xuất những viên gạch cacbua zirconi siêu đặc dùng trong các ứng dụng hiệu suất cao. Tuy nhiên, sản xuất cộng thêm đang làm thay đổi cục diện trong những năm gần đây. Các kỹ thuật như in phun keo dính và in nổi quang học mở ra khả năng chế tạo các thành phần chắn bức xạ phân cấp chức năng tinh vi mà các phương pháp truyền thống không thể thực hiện được. Kết quả cũng rất ấn tượng. Chúng ta đang nói đến việc giảm lượng phế liệu vật liệu từ 30 đến 40 phần trăm, một con số đáng kể khi xử lý các vật liệu đắt tiền. Còn về độ chính xác kích thước? Theo các nghiên cứu gần đây đăng trên Tạp chí Nghiên cứu Vật liệu, độ chính xác này vào khoảng 50 micromet. Điều này lý giải vì sao ngày càng nhiều nhà sản xuất bắt đầu chú ý đến các phương pháp mới này.
Mặc dù đã có tiến bộ, việc áp dụng rộng rãi vẫn gặp phải những trở ngại:
Các nanocomposite alumina-silicon carbide thể hiện mức độ cải thiện 22% trong khả năng suy giảm tia gamma ở mức năng lượng 2 MeV so với gốm nguyên khối. Việc bổ sung 3 wt% ống nano boron nitride làm tăng tiết diện bắt neutron lên 40% mà không làm giảm độ dẫn nhiệt, vẫn duy trì trên 25 W/mK—khiến chúng trở thành ứng cử viên tiềm năng cho các bộ phận chắn bức xạ đa chức năng.
Các vật liệu lai polyme-gốm, như composite epoxy-boron carbide, đạt được 80% hiệu quả chắn bức xạ của chì với trọng lượng thấp hơn 30%. Tuy nhiên, giới hạn nhiệt độ 250°C của chúng làm hạn chế việc sử dụng chỉ ở các hệ thống phụ trợ chứ không dùng được trong lõi phản ứng, nơi yêu cầu khả năng chịu nhiệt cao hơn.
Các bộ phận gốm sử dụng trong ứng dụng hạt nhân cần đáp ứng các yêu cầu an toàn nghiêm ngặt trên toàn cầu. Theo hướng dẫn SSG-37 của Cơ quan Năng lượng Nguyên tử Quốc tế, vật liệu chắn bức xạ phải có khả năng chịu được liều bức xạ trên 100 triệu đơn vị Gray trước khi xuất hiện bất kỳ dấu hiệu hư hỏng cấu trúc nào. Việc tuân thủ cả tiêu chuẩn ASME BPVC-III và đặc tả ISO 17872:2020 giúp đảm bảo rằng những vật liệu này có thể hấp thụ neutron ít nhất 85 phần trăm một cách hiệu quả trong các lò phản ứng nước áp lực. Các chuyên gia ngành gần đây đã cập nhật khuyến nghị kỹ thuật của họ để bao gồm việc giám sát liên tục các vết nứt nhỏ trong các thành phần gốm của các nhà máy thế hệ III+ mới hơn. Cách tiếp cận chủ động này đã được chứng minh là giảm khoảng 40 đến 45 phần trăm nguy cơ hỏng hóc tiềm tàng so với các hệ thống chắn cũ hơn vẫn đang vận hành ngày nay.
Các nhà máy hạt nhân hiện đại thường kết hợp gạch gốm với bê tông chịu lực nặng chứa magnetit (Fe3O4) hoặc vật liệu serpentinit để xây dựng các lớp chắn bức xạ. Sự kết hợp này hoạt động hiệu quả hơn so với việc chỉ sử dụng tường gốm riêng lẻ, giúp giảm tia gamma khoảng 22%. Tuy nhiên, có một vấn đề phức tạp là gốm và bê tông giãn nở khác nhau khi bị đốt nóng. Gốm giãn nở khoảng 5,8 micromet trên mỗi mét trên mỗi độ Celsius, trong khi bê tông giãn nở nhiều hơn. Vì vậy, các kỹ sư chèn các lớp zirconia phân cấp đặc biệt giữa chúng. Những lớp trung gian này giúp duy trì sự ổn định của toàn bộ cấu trúc ngay cả khi nhiệt độ đạt tới mức cao như 650 độ Celsius trong quá trình vận hành bình thường.
EN
