خواص وتطبيقات كربيد البورون في المفاعلات النووية

مقدمة

كربيد البورون مركب مهم في مجال تكنولوجيا المفاعلات النووية. وله تاريخ من الاستخدام في البيئات القاسية وهو معروف بقوته ومرونته. ويثق العديد من المهندسين والباحثين في كربيد البورون لقدرته على التحكم في التفاعلات النووية.

خصائص كربيد البورون ذات الصلة بالتطبيقات النووية

يُعرف كربيد البورون بصلابته العالية وكثافته المنخفضة. وهو يحتل المرتبة القريبة من القمة بين السيراميك من حيث الصلابة. يمكن أن يكون للمادة قيمة صلابة فيكرز تتجاوز 30 جيجا باسكال. كما أنها خفيفة الوزن. ويؤدي الجمع بين الصلابة والكثافة المنخفضة إلى جعله مرشحًا في المجالات التي يكون فيها الوزن والمتانة مهمين.

وتتمثل إحدى الخصائص المهمة في نقطة الانصهار العالية للمركب، حيث يمكنه تحمل درجات حرارة تزيد عن 2400 درجة مئوية في ظروف خاملة. وهذا مفيد في المفاعلات حيث يمكن أن ترتفع درجات الحرارة. كربيد البورون مستقر كيميائياً حتى في البيئات العدوانية. كما أن المادة مقاومة للتلف الإشعاعي. وبمرور الوقت، يمكن للإشعاع أن يضعف العديد من المواد، ولكن كربيد البورون يظل مستقرًا. يُظهر تمددًا حراريًا منخفضًا وتوصيلًا حراريًا جيدًا، ويساعد التمدد الحراري المنخفض على تقليل الإجهاد تحت تغيرات درجة الحرارة.

يحتوي كربيد البورون على نسبة عالية من البورون. وهذا يمنحه قدرة فريدة في البيئات النووية. يحتوي البورون الموجود بشكل طبيعي على نسبة وزنية تصل إلى 78% في كربيد البورون، وهي قيمة مفيدة عند التحكم في عمليات المفاعل. ويتم إنتاج المادة بقياس تكافؤ متحكم فيه. ويؤدي ذلك إلى جودة متسقة وسلوك يمكن التنبؤ به في بيئات المفاعلات.

وقد أظهرت التجارب البسيطة أن مركبات البورون تعمل بشكل جيد عند وضعها في أجهزة التحكم في المفاعلات النووية. وتشمل العديد من تصميمات المفاعلات مكونات مغلفة أو ممزوجة بكربيد البورون. وتؤكد البيانات البحثية أن أداء الامتصاص النيوتروني يرتبط ارتباطاً وثيقاً بمحتوى البورون والبنية العامة للمادة.

دور كربيد البورون كربيد البورون كممتص للنيوترونات

يُعرف كربيد البورون بقدرته على امتصاص النيوترونات، وهو يعمل باستخدام نظير البورون-10، الذي يتميز بمقطع عرضي لامتصاص النيوترونات مرتفع بشكل استثنائي. في الواقع، يمكن للبورون-10 امتصاص النيوترونات بكفاءة عالية. وهذه الخاصية تجعل كربيد البورون خياراً طبيعياً للتحكم في التفاعلات النووية.

وأثناء الانشطار النووي، يكون التحكُّم في النيوترونات الشاردة مهمًّا للغاية. ومع وجود كربيد البورون، ينخفض عدد النيوترونات الحرة. وهذا يساعد في تنظيم التفاعل المتسلسل. ويعمل كضمانة في حالة حدوث تقلبات غير متوقعة. وتحول المادة طاقة النيوترونات إلى حرارة. ويساعد هذا التأثير في إدارة سلامة المفاعل مع الحفاظ على التفاعل ضمن الحدود الآمنة. ومن الناحية العملية، يوجد كربيد البورون في مجمعات القضبان وطبقات التدريع. ويعتمد عليه مشغلو المفاعل لإبطاء التفاعل أو إيقافه إذا لزم الأمر.

وتُظهر بيانات تصميم المفاعل القياسية أن طبقات كربيد البورون يمكن أن تخفض تدفق النيوترونات بشكل كبير. وتؤكد العديد من تجارب المفاعلات النووية صحة هذه الأرقام. وغالباً ما يستخدم المصممون نماذج تتضمن أداء كربيد البورون الموثق جيداً في امتصاص النيوترونات. وهذا يعطي المهندسين قيمة موثوقة للتشغيل الآمن للمفاعل.

تطبيقات كربيد البورون كربيد في مكونات المفاعل النووي

يُستخدم كربيد البورون في العديد من مكونات المفاعل. أحد التطبيقات الشائعة هو في قضبان التحكم. يتم إدخال قضبان التحكم في المفاعلات النووية للتحكم في سرعة التفاعل المتسلسل. تسمح القضبان المخصبة بكربيد البورون للمشغلين بالتحكم في طاقة المفاعل. ويمكن العثور على تطبيق آخر في بلاطات التدريع حول قلب المفاعل. ويساعد هذا البلاط على منع النيوترونات الشاردة من التسبب في تلف المكونات الأخرى.

وفي بعض تصميمات المفاعل، يضاف كربيد البورون كمادة تبطين. وتساعد البطانة على حماية جدار المفاعل وتحسين الأمان العام. وقد اختبرت مرافق البحوث النووية ألواح كربيد البورون لتكون بمثابة طبقات دفاعية إضافية. وتُستخدم هذه المادة أيضاً في بناء المفاعلات التي تهدف إلى التشغيل على المدى الطويل. وقد لاحظ المهندسون أن كربيد البورون يتحمل التعرض الطويل الأجل للإشعاع بشكل جيد للغاية.

وتشمل الأمثلة في تصميم المفاعلات تجارب طلاء عناصر الوقود. وقد أظهرت عناصر الوقود المغلفة باستخدام أغشية رقيقة من كربيد البورون تدهوراً أقل بمرور الوقت. وكانت البيانات المستقاة من هذه التجارب واعدة، حيث أظهرت الاختبارات أداءً ثابتاً حتى في ظل الإشعاعات العالية. وتسلط العديد من حالات صيانة المفاعلات في العالم الحقيقي الضوء على فوائد استبدال المواد الأقدم والأقل استقراراً بكربيد البورون.

الخاتمة

يحتل كربيد البورون مكانة هامة في تكنولوجيا المفاعلات النووية. فصلابته ونقطة انصهاره العالية وقدرته على امتصاص النيوترونات تجعله مفيدًا في العديد من تطبيقات المفاعلات. وقد أُدرجت هذه المادة في قضبان التحكم، ومكونات التدريع، والبطانات الواقية. لمزيد من المعلومات، يرجى مراجعة Stanford Advanced Materials (SAM).

الأسئلة المتداولة

س: ما الذي يجعل كربيد البورون مفيداً في المفاعلات النووية؟
س: تساعد صلابته العالية وكثافته المنخفضة ونقطة انصهاره العالية وامتصاصه القوي للنيوترونات في التحكم في تفاعلات المفاعل.

س: كيف يمتص كربيد البورون النيوترونات؟
س: يمتص نظير البورون-10 في كربيد البورون النيوترونات عن طريق تحويل طاقة النيوترونات وخفض أعداد النيوترونات الحرة.

ف: في أيِّ أجزاء المفاعل يُستخدم كربيد البورون؟
س: يُستخدَم في قضبان التحكُّم وبلاطات التدريع والبطانات الواقية لضمان التشغيل الآمن للمفاعل.