سيراميك الألومينا: مادة واعدة للأجزاء الإنشائية للمفاعلات النووية

مقدمة

تحتاج المفاعلات النووية إلى مواد يمكنها تحمل درجات الحرارة العالية والإشعاع والإجهاد. ويجب تشغيل مكوّنات المفاعل في درجات حرارة عالية وأحمال عالية. كما يجب أن تكون مقاومة للتآكل والتلف الإشعاعي. ويؤدي السيراميك دوراً كبيراً في المواد النووية المتقدمة لأنه لا يتطاير في ظل الظروف القاسية. يتميز سيراميك الألومينا أو أكسيد الألومنيوم بصلابته وثباته وخموله.

سيراميك الألومينا مقاوم بشدة للانصهار والتفاعل. وهي قادرة على تحمل ظروف التشغيل القاسية. ونظراً لخصائصها، يعد سيراميك الألومينا خياراً مثالياً لهياكل المفاعلات النووية. ويُعجب غالبية العلماء والمهندسين في الوقت الحاضر بسيراميك الألومينا لأدائه في البيئات النووية القاسية.

الخصائص الرئيسية لسيراميك الألومينا للتطبيقات النووية

يتمتّع سيراميك الألومينا بسلسلة من الخصائص الممتازة التي تلعب دوراً محورياً في التكنولوجيا النووية. يتمتّع سيراميك الألومينا بثبات حراري ونقطة انصهار أعلى من 2000 درجة مئوية. وبالتالي يمكنها العمل حتى لو وصلت درجات الحرارة إلى درجات حرارة عالية جداً في قلب المفاعل. كما أن قوتها الميكانيكية رائعة أيضاً. ويحافظ سيراميك الألومينا على صلابته ومقاومته للتآكل، مما يساعد على تقليل الأضرار في تشغيل المفاعل.

الإشعاع مشكلة منتشرة في المفاعلات النووية. وسيراميك الألومينا مقاوم للإشعاع. ويتم تنشيطها بشكل ضعيف بواسطة النيوترونات، أي أنها لا تحصل على نشاط إشعاعي عند قصفها بالنيوترونات. وهي أقل عرضة للتآكل بسبب خمولها. وهذا أمر مهم لأن الظروف في المفاعل من المحتمل أن تكون متآكلة كيميائياً. كل هذه الخصائص تجعل سيراميك الألومينا مادة مثالية للاستخدامات النووية الحرجة.

استخدامات سيراميك الألومينا في أجسام المفاعلات النووية

تكسية الوقود والطلاءات

يُستخدَم سيراميك الألومينا في تكسية وطلاءات الوقود، حيث يشكّل طبقة واقية حول قضبان الوقود. وتقلل الطلاءات الخزفية من التآكل وتمنع التآكل. ويمكن استخدام الألومينا كطلاء حاجز في تصميمات معينة. وهذا يمنع انبعاث نواتج الانشطار، مما يقلل من مخاطر التلوث.

فعلى سبيل المثال، تم تعزيز طلاء قضبان الوقود في بعض تصاميم المفاعلات المتقدمة إلى حد كبير بواسطة سيراميك الألومينا. وتعزّز صلابة الطلاءات الخزفية ومقاومتها للتآكل من عمر كسوة الوقود. وكان تعزيز أمان المفاعل بشكل عام نتيجة ثانوية لقوة طلاء الألومينا.

العوازل والمكوّنات الكهربائية

يجب أن تكون المكونات الكهربائية للمفاعل النووي آمنة للعمل في درجات حرارة عالية. ويعتبر سيراميك الألومينا عوازل كهربائية ممتازة. وهي تُستخدم في أنظمة الأجهزة والتحكم في المفاعلات. وقوتها العازلة قوية حتى في ظل درجات الحرارة المرتفعة. وقدرتها على العزل المتناسب هي ميزة يجدها المهندسون جذابة عند تصميم لوحات تحكم آمنة في المفاعلات.

ويساعد العزل الكهربائي لقلب المفاعل بفضل الخصائص العالية غير الموصلة للألومينا. فهي تقلل من فرصة حدوث خلل في درجات الحرارة المرتفعة. وتستخدم غالبية المحطات النووية القديمة وكذلك التصميمات الأحدث العوازل القائمة على الألومينا.

المكونات الهيكلية والدعامات

يمكن أيضاً تصنيع الأجزاء الهيكلية لقلب المفاعل باستخدام سيراميك الألومينا. وتعد المرشحات والفواصل وشبكات الدعم بعض الأجزاء التي تستفيد من قوة المادة العالية. وتوفر أجزاء الألومينا مزيجًا ممتازًا من المقاومة الحرارية والقوة الميكانيكية في المفاعلات المبردة بالغاز ذات درجة الحرارة العالية وأنواع المفاعلات الأخرى من الجيل التالي.

ويساعد استخدام الألومينا في الدعم الهيكلي على تقليل وزن أجزاء مكونات المفاعل. كما يساعد في الحفاظ على أداء المفاعلات في ظروف الإجهاد. وقد استُخدمت الدعامات الخزفية في التصاميم التي قد تفشل فيها المعادن العادية في ظل التحميل الحراري والإشعاعي الشديد.

استخدامات الوسيط النيوتروني والعاكس النيوتروني

في تصميمات مفاعلات محددة، يلعب انعكاس النيوترونات واعتدالها دورًا مهمًا. ويخدم سيراميك الألومينا غرضه في مثل هذه التطبيقات. وفي بعض الحالات، يتم وضع أجزاء الألومينا لتغيير اتجاه النيوترونات. ويساعد استخدامها في اعتدال النيوترونات على إدارة التفاعل النووي إلى مستواه المناسب. ويحسن هذا التكييف أداء المفاعل وأمانه من خلال التحكم السليم في التدفق النيوتروني.

تقنيات تصنيع سيراميك الألومينا من الدرجة النووية

هناك حاجة إلى إجراءات تصنيع محددة معينة للتطبيق في المفاعلات النووية باستخدام الألومينا. وتعتبر تقنيات مثل معالجة المسحوق والتلبيدمتقدمة للتقنيات النووية. وتستلزم هذه العمليات التحكم الدقيق في حجم الحبيبات والتكثيف. ويمكن لحجم الحبيبات الصغير أن يحسن من قدرة تحمل الإشعاع.

ويتم استخدام عدد من تقنيات ترسيب الطلاء. ومن بينها ترسيب البخار الكيميائي. وينتج عن ذلك طلاءات كثيفة وموحدة تحمي مواد المفاعل. ويتم تصميم عمليات التصنيع بمرور الوقت لتلبية المتطلبات الرقابية النووية الصارمة. وقد تم تنقيح هذه العمليات من قبل المهندسين للحصول على أجزاء خزفية تفي بمتطلبات الصناعة النووية الصارمة.

الخلاصة

سيراميكالألومينا مادة واعدة للمكونات الهيكلية للمفاعل النووي. فهي تتمتع بثبات حراري جيد في درجات الحرارة المرتفعة، وقوة ميكانيكية، ومقاومة للإشعاع، وخمول كيميائي. ويساعد استخدامها في تكسية الوقود، والعوازل، وهياكل الدعم، والاعتدال النيوتروني على زيادة الأداء والأمان في المفاعلات. ويتم التقيد بعمليات التصنيع بشكل صارم بحيث تتم معالجة السيراميك وفقاً لمعايير الدرجة النووية. ومع نمو الصناعة، سيزداد دور سيراميك الألومينا أهمية في تصميم مفاعلات الجيل التالي. لمزيد من السيراميك المتقدم، يرجى مراجعة Stanford Advanced Materials (SAM).

الأسئلة المتداولة

س: لماذا يُستخدم سيراميك الألومينا في المفاعلات النووية؟

س: لأنه يمتلك ثباتاً حرارياً عالياً وقوة ميكانيكية مُرضية ولا يتزعزع عند تعرضه للإشعاع.

س: بأي طريقة يحمي سيراميك الألومينا قضبان الوقود؟

س: يُستخدَم كطلاء يحمي قضبان الوقود من التآكل والتآكل وانطلاق النواتج الانشطارية.

س: ما طريقة التصنيع الشائعة المستخدمة في سيراميك الألومينا؟

س: تُستخدم بشكل عام عمليات معالجة المسحوق والتلبيد، إلى جانب ترسيب البخار الكيميائي لترسيب الطلاء.