سرامیک های هسته ای(3)

سرامیک های جاذب

شروع و پایان کار رآکتورها و همچنین تغییر توان رآکتور با خاصیت جذب نوترون مواد انجام می شود( بر خلاف سوخت که با انجام فرایند شکافت باعث تولید نوترون می شوند). علاوه بر جاذب هایی که در آب PWR حل می شوند( اسید بوریک)، مواد جاذب در میله های سرد کننده رآکتورهای هسته ای استفاده می شود تا بوسیله ی آنها بتوان جریان نوترون را تنظیم نمود.
مواد جاذب دارای عناصر شیمیایی است که یک یا تعداد بیشتری از ایزوتوپ های آنها نوترون را با توجه به واکنش های هسته ای مختلف، جذب می کنند. برای مثال:
عموما ایزوتوپ ها دارای یک کارایی نوترونی که از آنها می توان به خوبی برای کنترل میدان تابش نوترونی استفاده کرد. بنابراین هافنیوم یک ماده ی مناسب برای کنترل کردن سوخت MOX رآکتور هسته ای است. به عبارت دیگر ایزوتوپ ، در مقایسه با سایر جاذب ها، مؤثرتراست و از این رو نقش آن در کنترل توان رآکتورهای با نوترون سریع( RNR) و رآکتورهای آب فشرده(PWR) حیاتی است.
رآکتورهای آب فشرده( PWR) که تقریبا برای تمام تأسیسات برق هسته ای فرانسه مورد استفاده قرار می گیرد، بوسیله ی دو ماده ی جاذب اصلی کنترل می شوند:

1) مواد سرامیکی( کاربید بور، )

2) مواد فلزی( آلیاژهای سه تایی از نقره، ایندیوم و کادمیوم که عموما با نام SIC معروفند. واژه ی SIC به معنای یک ماده ی سرامیکی نیست.
این مواد به صورت ستون های قرص مانند یا میله های SIC هستند که در لوله های فولادی آب بندی شده قرار می گیرند و بنابراین یک میله ی جاذب را تشکیل می دهند. به خاطر دلایل امنیتی، طول یک چنین میله هایی به اندازه ای است که در مواقع ضرروی به سرعت در داخل لوله های راهنما قرار گیرند.

ساختن مواد جاذب سرامیکی

قرص های کاربید بور با استفاده از زینترینگ پودر این کاربید ساخته می شوند. پودر از پودر و با استفاده از دو فرایند اصلی مگنزیوترمی( magnesiothermy) و کربوترمی( carbothermy) تولید می شود. در فرایند اول، پودر اکسید بور با پودر منیزیم و کربن، مخلوط می شود. این واکنش بسیار گرمازاست و نتیجه ی آن تولید پودر نرمی از کاربید بور است که می توان آن را به طورمستقیم زینتر نمود. به عبارت دیگر، فرایند دوم که در آن تنها کربن به طور مستقیم با اکسید بور واکنش می دهد، یک واکنش گرماگیر است و بنابراین کاربید تولید شده خالص تر است اما گلوخه ای می شود و پیش از زینترینگ نیازمند آسیاب کاری است.
قرص ها برای PWR ها اندکی فشرده می شوند( تقریبا 70%) تا بدین وسیله تخلخل های باز باقی مانده خارج شوند و قادر باشد هلیوم تولید شده بوسیله ی واکنش جذب هسته ای آزاد گردد. بور طبیعی تنها دارای 19.8% ایزوتوپ ( یک جاذب مؤثر)است. قرص ها در دمای 2000 درجه ی سانتیگراد و بوسیله ی زینترینگ طبیعی تولید می شوند. قرص های جاذب مورد استفاده در RNR ها باید دارای دانسیته ی جمع آوری بالاتری باشند؛ از این رو قرص های مورد استفاده در این نوع رآکتور را بیشتر فشرده می کنند( دانسیته ی آنها حدود 96 % است) و زینترینگ آنها باید تحت فشار بالا انجام شود. بور مورد استفاده در این کاربرد باید فراوری شود و درصد آن افزایش یابد.

رفتار در رآکتور

این بخش رفتار را در رآکتورهای RNR مورد بررسی قرار می دهد. علت این کار این است که در رآکتورهای PWR( با توجه به محل قرار گیری میله ها)، تنها جریان ضعیفی از نوترون ایجاد می شود. از طرف دیگر در رآکتورهای RNR، تحت تنش های شدید قرار می گیرد. اول از همه، درحالی که این ماده دارای رسانایی گرمایی ضعیفی است، این ماده تحت گرادیان دمایی بالایی قرار می گیرد. که در این حالت دمای مرکز قرص حدود 1400 درجه ی سانتیگراد و دمای سطح حدود 600 درجه ی سانتیگراد است. همچنین انرژی واکنش( 2.6 MeV بر هر جذب نوترونی) در داخل ماده آزاد می شود و باعث گرم شدن آن و ایجاد تنش های گرمایی می شود. بنابراین قرص ها به محض استفاده، می شکنند. علاوه بر این، در هنگام کار قرص ها، در آنها گاز هلیوم تشکیل می شود که مقدار آن 380 سانتیمتر مکعب برای هر 1 سانتیمتر مکعب از است. بخشی از این گاز تمایل دارد که در ماده باقی بماند و این مسئله باعث می شود تا ماده به طور قابل توجهی انبساط پیدا کند. این انبساط برای یک ماده ی بور کاربیدی که تراکم کمتری دارد، بسیار کمتر است. نانوحباب های گازی که در بورکاربید تشکیل می شودباعث خرد شدن پیش از موعد آن می شود. این انبساط و خردشدن پیش از موعد باعث فعل و انفعالات مکانیکی میان ماده ی سرامیکی و لوله ی محافظ آ ن می شود. این فعل و انفعال قوی لوله ی محافظ را در برابر تابش نوترونی و مواد شیمیایی نفوذکننده از طرف ، شکننده می کند و ممکن است باعث گردد، لوله بشکند. به طور بدیهی، در کارکرد نرمال، دستیابی به این وضعیت ممکن نیست. برای افزایش عمر رآکتور، کارهای اصلاحی مختلفی در میله های جاذب ساخته شده از انجام شده است. این کارها شامل کاهش نرخ غنی سازی بوری است که تحت شرایط تابش شدید قرار دارد و همچنین پوشاندن ستون قرص ها برای جلوگیری از میان کنش ماده ی سرامیکی با لوله.

زمینه ی سرامیکی خنثی در سوخت و سایر سرامیک های هسته ای

در طی تابش یک سوخت استاندارد مانند اکسید یا MOX، یک بخش قابل توجه از واکنش های هسته ای واکنش های شکافتی نیستند بلکه واکنش های گیرنده( capture reactions) یا استحاله های هسته ای پیچیده است. بنابراین در این دوره از زمان، یک بخشی از ایزوتوپ های به پلوتونیوم ( ) تبدیل می شوند( یک ماده ی با قابلیت شکافت هسته ای است که به طور گسترده ای برای تولید برق مورد استفاده قرار می گیرد). به هر حال برخی از این واکنش ها منجر به تشکیل ایزوتوپ هایی خواهد شد که به سختی بازیابی می شوند( جفت های ایزوتوپی Pu،Am و سایر آکتنیدهای معمولی و غیره) و تجمع آنها یک دغدغع محسوب می شود. شکافت این ایزوتوپ ها می تواند با استفاده از تابش در رآکتورهای خاصی انجام شود که در دارای قابلیت های مناسب باشند. به هر حال ما باید بازآفرینی ایزوتوپ های کوچک تر و سوختن آنها جلوگیری کنیم. این مسئله در جاهایی نمود پیدا می کند که تلاش می شود سوخت هایی را از جنس را در زمینه ی یک ماده ی خنثی در برابر نوترون، تولید کنیم.
این زمینه ی خنثی می تواند یک سرامیک استاندارد در نظر گرفته شود که در آن اکسیدهای اکتینید به صورت مجتمع توزیع شده اند. این سرامیک ها باید استحکام مکانیکی مناسب داشته باشند و بتوانند حرارت را عبور دهند. به عبارت دیگر، این سرامیک ها به میزان قابل توجهی تحت تابش حاصل از محصولات شکافت قرار می گیرند. بنابراین آنها باید توانایی تحمل چند ده هزار dpa خسارت را داشته باشند( بدون آنکه تخریب شوند).
کارهای تحقیقاتی بر روی چنین موادی هنوز در مراحل اولیه است. زمینه های خنثی در این کاربردها مواد خنثای مورد استفاده در سایر کاربردها مانند زیرکونیا، اسپینل و ... هستند. به هر حال ما باید تأکید کنیم که این مواد در شرایط تحت تابش، کمتر مورد مطالعه قرار گرفته اند و از این رو مشکلات بوجود آمده در آنها، معمولا جدید است.
در این روش همانند مکانیزم های آزاد سازی گازهای حاصل از شکافت هسته ای، اطلاعات در زمینه ی مکانیزم های فیزیکی مسئول این رفتارها( در زمینه ی سرامیکی خنثی در طی تابش در رآکتور) می تواند بطور مفید برای سرامیک های در نظر گرفته شده، به عنوان زمینه های میزبان، مورد استفاده قرار گیرد. در حقیقت این مواد جدید نیز تحت تابش، دچار همان خسارت هایی می شوند که بوسیله ی یون های هلیوم( تحت متلاشی شدن در عناصر دارای عدد اتمی بزرگتر از اورانیوم) بوجود می آید.
مرجع:
Philippe Boch and Jean-Claude Niepce/ ceramic materials( processing, properties and applications).