Εταιρικά Νέα

Υδρίδιο ζιρκονίου και υδρίδιο υττρίου -- υλικά συντονισμού για διαστημικούς πυρηνικούς αντιδραστήρες

2023-02-25
Συντονιστής, γνωστός και ως συντονιστής νετρονίων. Προκειμένου να πραγματοποιηθεί αποτελεσματικά η αντίδραση πυρηνικής σχάσης, προστίθεται ένα είδος υλικού στον αντιδραστήρα για να επιβραδυνθεί η ταχύτητα κίνησης των νετρονίων. Οι συνήθεις συντονιστές περιλαμβάνουν ελαφρύ νερό, βαρύ νερό, γραφίτη, υδρίδιο μετάλλου κ.λπ. Για την πυρηνική ενέργεια του διαστήματος, η θερμοκρασία λειτουργίας είναι υψηλή και ο όγκος του συντονιστή απαιτείται να είναι όσο το δυνατόν μικρότερος. Επομένως, το νερό, ο γραφίτης και άλλοι συντονιστές δεν ισχύουν πλέον. Το υδρίδιο μετάλλου επιλέγεται συχνά ως το μετριαστικό υλικό για διαστημικούς πυρηνικούς αντιδραστήρες. Προς το παρόν, το υδρίδιο του ζιρκονίου και το υδρίδιο του υττρίου έχουν γίνει ιδανικοί συντονιστές στην τροφοδοσία ισχύος των διαστημικών πυρηνικών αντιδραστήρων που έχουν κατασκευαστεί και αναπτύσσονται. Σε αυτή την ανασκόπηση, η επιλογή του υδριδίου του ζιρκονίου και του υδριδίου του υττρίου, τα υπάρχοντα προβλήματα, η ερευνητική κατάσταση των κύριων ιδιοτήτων και η εφαρμογή στο εσωτερικό και στο εξωτερικό εισάγονται λεπτομερώς.



1. Σε αυτό το άρθρο, συγκρίνονται οι κύριοι δείκτες απόδοσης πολλών υλικών συντονισμού, συμπεριλαμβανομένου του νερού, του γραφίτη και του υδριδίου μετάλλου. Σύμφωνα με την αρχή της υψηλότερης συγκέντρωσης υδρογόνου, επιλέχθηκαν η μικρότερη διατομή απορρόφησης νετρονίων, η ισχυρότερη ικανότητα μετριασμού και ο μικρότερος όγκος, τα καταλληλότερα δύο υλικά - υδρίδιο ζιρκονίου και υδρίδιο υττρίου.


Πίνακας 1 Επίδραση των ιδιοτήτων του επιβραδυντικού υλικού σε


2. Τα κύρια προβλήματα στην εφαρμογή και παρασκευή αυτών των δύο υδριδίων μετάλλων είναι η απώλεια υδρογόνου και η πυρόλυση υδρογόνου. Η διαδικασία απώλειας υδρογόνου φαίνεται στο Σχήμα 1. Σύμφωνα με την αρχή της διεργασίας της απώλειας υδρογόνου, συνοψίζονται δύο κύριες μέθοδοι για την πρόληψη της απώλειας υδρογόνου: βελτίωση της θερμικής σταθερότητας του υδριδίου και προετοιμασία επικάλυψης φραγμού υδρογόνου. Σε σύγκριση με την απώλεια υδρογόνου, η αρχή της πυρόλυσης υδρογόνου είναι πιο περίπλοκη, αλλά σύμφωνα με έρευνες στο εσωτερικό και στο εξωτερικό, τα κύρια μέσα αναστολής της πυρόλυσης υδρογόνου είναι πιο ομοιόμορφα, τα οποία είναι κυρίως να επιβραδύνουν τον ρυθμό απορρόφησης υδρογόνου.


Εικ. 1 Σχηματικό διάγραμμα διαδικασίας αφυδρογόνωσης υδριδίου μετάλλου


2. Έρευνα απόδοσης και περίληψη Η εφαρμογή των υλικών δεν μπορεί να διαχωριστεί από την έρευνα βασικών ιδιοτήτων. Η συμπεριφορά της εφαρμογής υλικών χωρίς βασική έρευνα απόδοσης είναι χουλιγκανισμός. Στο τρίτο κεφάλαιο αυτής της ανασκόπησης, συνοψίζονται λεπτομερώς τα δεδομένα της βασικής έρευνας απόδοσης του υδριδίου του ζιρκονίου και του υδριδίου του υττρίου στο εσωτερικό και στο εξωτερικό, συμπεριλαμβανομένης της περίληψης της ερευνητικής κατάστασης του διαγράμματος δυαδικής φάσης του υδριδίου του ζιρκονίου και του υδριδίου του υττρίου. περίληψη της δομής του πλέγματος και των κανόνων αλλαγής παραμέτρων του πλέγματος, της καμπύλης σχέσης μεταξύ του συντελεστή θερμικής διάχυσης και της περιεκτικότητας σε υδρογόνο και της καμπύλης σχέσης μεταξύ θερμικής αγωγιμότητας και περιεκτικότητας σε υδρογόνο. Τα συγκεκριμένα δεδομένα δεν θα περιγραφούν εδώ. Οι ενδιαφερόμενοι συνεργάτες μπορούν να ανατρέξουν στο αρχικό κείμενο. Ωστόσο, στο τέλος αυτού του κεφαλαίου, ο συγγραφέας έκανε μια ενδιαφέρουσα ανακάλυψη: από το σχήμα 2, μπορεί να φανεί ότι η θερμική αγωγιμότητα και ο συντελεστής θερμικής διάχυσης του υδριδίου του υττρίου μειώνονται με την αύξηση της θερμοκρασίας και είναι υψηλότεροι από το καθαρό μέταλλο, το οποίο είναι αντίθετη με τον κανόνα αλλαγής των υδριδίων μετάλλων όπως το υδρίδιο του ζιρκονίου, το υδρίδιο του τιτανίου και το υδρίδιο του αφνίου. Ο λόγος για αυτό το φαινόμενο δεν έχει εξηγηθεί λεπτομερώς, αλλά δεν επηρεάζει την εφαρμογή του υδριδίου του ζιρκονίου και του υδριδίου του υττρίου.

Εικ. 2 Η θερμική αγωγιμότητα και ο συντελεστής θερμικής διάχυσης του υδριδίου του ζιρκονίου και του υδριδίου του υττρίου αλλάζουν με τη θερμοκρασία


4. Το τέταρτο κεφάλαιο αυτής της ανασκόπησης συνοψίζει την εφαρμογή και τον σχεδιασμό του υδριδίου του ζιρκονίου και του υδριδίου του υττρίου ως υλικών συντονισμού για διαστημικούς πυρηνικούς αντιδραστήρες. Από τη δεκαετία του 1960, η πρώην Σοβιετική Ένωση διεξήγαγε έρευνα για την τροφοδοσία ισχύος διαστημικών πυρηνικών αντιδραστήρων της σειράς TOPAZ. Τόσο το TOPAZ-I όσο και το TOPAZ-II χρησιμοποιούν υδρίδιο ζιρκόνιου κυψελοειδούς κυψελοειδούς μορφής ως υλικό συντονισμού. Το διάγραμμα δομής πυρήνα του TOPAZ-II φαίνεται στο Σχήμα 3. Υπάρχουν 37 οπές στη τηγανίτα ZrH1.85 για την εισαγωγή στοιχείων καυσίμου (TFE) και οι εξωτερικοί 12 κύλινδροι είναι τύμπανα ελέγχου και τύμπανα ασφαλείας. Στις έξι δοκιμές εδάφους του TOPAZ-II, η μεγαλύτερη διάρκεια είναι 14000 ώρες (583 ημέρες), εκ των οποίων οι τρεις δοκιμές ανεστάλησαν λόγω προβλημάτων στο στοιχείο καυσίμου, οι δύο δοκιμές ανεστάλησαν λόγω διαρροής ψυκτικού NaK και μία αναβλήθηκε λόγω απώλειας υδρογόνου του συντονιστή ZrH1.85. Εκτός από την πρώην Σοβιετική Ένωση, ο σχεδιασμός του συντονιστή υδριδίου του ζιρκονίου (ZrH1.7) υιοθετήθηκε επίσης στο γαλλικό σχέδιο ERATO.


Πίνακας 2 Δοκιμή σειράς TOPAZ-II


Σε σύγκριση με το υδρίδιο του ζιρκονίου, το κύριο πλεονέκτημα του υδριδίου του υττρίου είναι ότι έχει χαμηλότερη πίεση αποσύνθεσης σε υψηλή θερμοκρασία και είναι κατάλληλος για αντιδραστήρες μεγάλης διάρκειας ζωής υψηλής ισχύος. Ωστόσο, το υδρίδιο του υττρίου ως μετριαστής του αντιδραστήρα υψηλής θερμοκρασίας βρίσκεται ακόμη στο στάδιο της τεχνικής επίδειξης και στερείται πρακτικής εμπειρίας. Το 1991, οι Ηνωμένες Πολιτείες υιοθέτησαν τον σχεδιασμό του συντονιστή υδριδίου του υττρίου (YH1.8) στον διαστημικό πυρηνικό αντιδραστήρα SPACE-R, με διάρκεια σχεδιασμού 10 ετών, που είναι πολύ υψηλότερος από τον τύπο αντιδραστήρα του συντονιστή υδριδίου ζιρκονίου. Αξίζει να σημειωθεί ότι στην ερευνητική έκθεση του Oak Ridge Laboratory (ORNL) στις Ηνωμένες Πολιτείες το 2020, η ORNL ολοκλήρωσε την παρασκευή υδριδίου του υττρίου σε διάφορα σχήματα και στόχος εφαρμογής του είναι απευθείας σε διαστημικούς πυρηνικούς αντιδραστήρες!


Σχήμα 3 Σχηματικό διάγραμμα δομής πυρήνα TOPAZ-II


Συμπέρασμα: Τα τελευταία χρόνια, η έρευνα για τη διαστημική πυρηνική ενέργεια σε διάφορες χώρες του κόσμου έχει εισέλθει ξανά σε έντονο στάδιο και η εφαρμογή και η έρευνα και ανάπτυξη πολλών υλικών πρέπει να δοθεί μεγαλύτερη προσοχή από τους ανθρώπους των υλικών. Όπως αναφέρεται στο συμπέρασμα του βιβλίου "Space Nuclear Power", "ακριβώς ότι η άνοιξη και το φθινόπωρο είναι τακτοποιημένα, και οι άνθρωποι δεν βρίσκονται στη μειονεκτική θέση του χρόνου· το σύμπαν είναι άπειρο, και η μεγάλη αιτία δεν έχει ακόμη γίνει". επιτεύχθηκε». (Κείμενο: Wang Shun)


Αυτό το άρθρο προέρχεται από τον επίσημο λογαριασμό WeChat "Επιστήμη και Μηχανική Υλικών".


haixin6@jzhxgs.com