Τα τελευταία χρόνια, η περιβαλλοντική ρύπανση και οι εκπομπές άνθρακα που προκαλούνται από τα ορυκτά καύσιμα έχουν οδηγήσει σε ταχύτερη ανάπτυξη της πυρηνικής ενέργειας. Όμως, με την αυξανόμενη ζήτηση για την ασφάλεια των συστημάτων πυρηνικής ενέργειας μετά το ατύχημα της Φουκουσίμα στην Ιαπωνία, αναπτύχθηκε μια νέα γενιά συστημάτων πυρηνικής ενέργειας με βάση την τρίτη γενιά. Τα υλικά που χρησιμοποιούνται στο πυρηνικό σύστημα νέας γενιάς πρέπει να έχουν καλύτερες μηχανικές ιδιότητες, θερμοφυσικές ιδιότητες, ισχυρή αντίσταση στην ακτινοβολία, αντοχή στη διάβρωση και αντοχή σε θερμικό σοκ. Ως εκ τούτου, είναι επείγον να βελτιστοποιηθεί το υπάρχον σύστημα υλικών και να αναπτυχθούν σε βάθος νέα υλικά υψηλής απόδοσης. Μεταξύ πολλών προαιρετικών υλικών, τα κεραμικά υλικά καρβιδίου είναι επί του παρόντος το επίκεντρο της προσοχής.
Εικόνα 1. Πηγή Πυρηνικού Σταθμού: Pixabay
1, Επισκόπηση των ιδιοτήτων των υλικών πυρηνικού καρβιδίου
Το περιβάλλον εξυπηρέτησης των πυρηνικών υλικών είναι πολύ σκληρό, απαιτώντας από αυτά να αντέχουν σε βομβαρδισμό δέσμης σωματιδίων υψηλής θερμοκρασίας, υψηλής πίεσης, υψηλής διαβρωτικής δράσης και υψηλής ραδιενέργειας, γεγονός που θέτει υψηλότερες απαιτήσεις για επιλογή υλικού. Τα εξαιρετικά χαρακτηριστικά των κεραμικών καρβιδίου παρέχουν περισσότερες δυνατότητες για την ανάπτυξη κεραμικών υλικών πυρηνικού καρβιδίου.
Εικόνα 2. Αρχές και απαιτήσεις απόδοσης για την επιλογή πυρηνικών υλικών
(1) Όσον αφορά τη μικροδομή, τα άτομα των κεραμικών καρβιδίου συνδέονται κυρίως με ομοιοπολικό δεσμό και ιοντικό δεσμό και η ενέργεια του δεσμού είναι μεγάλη. Ταξινόμηση τύπου κουμπιού, τα καρβίδια μπορούν να χωριστούν σε ενδιάμεσα καρβίδια, ομοιοπολικά καρβίδια και ιοντικά καρβίδια, με τα δύο πρώτα να χρησιμοποιούνται ευρύτερα σε συστήματα πυρηνικής ενέργειας.
(2) Όσον αφορά τις μηχανικές ιδιότητες, τα κεραμικά υλικά καρβιδίου έχουν γενικά υψηλή σκληρότητα, μέτρο ελαστικότητας και αντοχή σε θλίψη και ο συντελεστής θερμικής διαστολής είναι επίσης μικρός. Ωστόσο, λόγω της εγγενούς ευθραυστότητας των καρβιδικών υλικών, η σκλήρυνση τους είναι επίσης μια απαραίτητη διαδρομή για την εφαρμογή καρβιδικών κεραμικών υλικών.
(3) Όσον αφορά την αντιοξειδωτική απόδοση, υπάρχουν σημαντικές διαφορές στην αντιοξειδωτική απόδοση διαφορετικών υλικών καρβιδίου. Αν και τα περισσότερα υλικά καρβιδίου υφίστανται οξείδωση σε πολύ υψηλές θερμοκρασίες, ορισμένα υλικά, όπως το SiC, σχηματίζουν ένα πυκνό προστατευτικό φιλμ πυριτίου μετά την οξείδωση, παρουσιάζοντας εξαιρετική αντοχή στην οξείδωση.
(4) Όσον αφορά την απόδοση ακτινοβολίας, τα περισσότερα υλικά καρβιδίου παρουσιάζουν καλή αντίσταση στην ακτινοβολία. Για παράδειγμα, η διόγκωση ακτινοβολίας του σύνθετου κεραμικής μήτρας SiC ενισχυμένης με συνεχείς ίνες SiC είναι μόνο περίπου 0,1%~0,2%.
(5) Όσον αφορά την απόδοση απορρόφησης νετρονίων, οι διατομές απορρόφησης νετρονίων διαφορετικών υλικών καρβιδίου ποικίλλουν πολύ και μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε διαφορετικά σενάρια. Εάν χρησιμοποιείται ως υλικό απορρόφησης νετρονίων πυρήνα, απαιτείται μεγάλη διατομή απορρόφησης νετρονίων για να τερματιστεί ταχύτερα η αλυσιδωτή αντίδραση υπό συνθήκες ατυχήματος.
Σχήμα 3. Περίληψη της απόδοσης των κύριων καρβιδίων που χρησιμοποιούνται στην πυρηνική ενέργεια
2, Κύρια υλικά καρβιδίου για την πυρηνική ενέργεια
(1) Καρβίδιο ουρανίου
Το καρβίδιο του ουρανίου περιέχει UC, U2C3 και UC2. Ο ατομικός λόγος C/U του UC έχει στενό εύρος σε θερμοκρασία δωματίου, με περιεκτικότητα σε άνθρακα 4,80 wt%. Το UC2 υπάρχει με τη μορφή υποστοιχειομετρικής αναλογίας, με ατομική αναλογία C/U 1,86~1,96146,47. Είναι ασταθές σε θερμοκρασία δωματίου και εμφανίζεται σε τετραγωνικό κρυσταλλικό σύστημα σε υψηλές θερμοκρασίες α- UC2 και Κυβικό Κρυσταλλικό Σύστημα β- Υπάρχουν δύο τύποι UC2. Σε θερμοκρασίες κάτω από 1200 K, το U2C3 είναι ασταθές και αποσυντίθεται σε UC και C. Σε σύγκριση με το UO2, το καύσιμο UC έχει υψηλότερη θερμική αγωγιμότητα, η οποία μπορεί να ισοπεδώσει αποτελεσματικά την πυκνότητα ισχύος και τη θερμοκρασία του πυρήνα και έχει υψηλότερη πυκνότητα ουρανίου, αυξάνοντας αποτελεσματικά την φόρτωση σχάσιμων νουκλεϊδίων και μείωση της συχνότητας ανεφοδιασμού. Είναι ένα σημαντικό υποψήφιο καύσιμο για προηγμένους αντιδραστήρες, αντιδραστήρες διαστημικής ενέργειας και πυρηνικούς πυραύλους, και μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί ως ιδανικό υλικό στόχος για την παραγωγή δέσμης ραδιενεργών ιόντων.
Εικόνα 4. Σύγκριση φυσικών παραμέτρων καρβιδίου ουρανίου με UC και β- Η κυτταρική δομή του UC2
(2) Καρβίδιο του πυριτίου
Ο ομοιοπολικός δεσμός του υλικού SiC είναι εξαιρετικά ισχυρός και μπορεί ακόμα να διατηρήσει υψηλή αντοχή συγκόλλησης σε υψηλές θερμοκρασίες. Έχει καλή χημική σταθερότητα και θερμική σταθερότητα, μικρή παραμόρφωση υψηλής θερμοκρασίας και χαμηλό συντελεστή θερμικής διαστολής, που είναι πολύ κατάλληλο για περιβάλλοντα υψηλής θερμοκρασίας. Το SiC χρησιμοποιείται ευρέως σε συστήματα πυρηνικής ενέργειας, κυρίως ως στρώμα επίστρωσης για την επίστρωση σωματιδίων καυσίμου, για την ανάπτυξη σύνθετης επένδυσης SiCf/SiC, αντικαθιστώντας την επένδυση από κράμα ζιρκονίου, ως υλικό μήτρας σε αντιδραστήρα που ψύχεται με αέριο και ως δομικό υλικό σε αντιδραστήρα τετηγμένου άλατος .
(3) Καρβίδιο ζιρκονίου
Το καρβίδιο του ζιρκονίου ZrC) είναι μια πυρίμαχη ένωση μετάλλων, η οποία ανήκει στην τυπική κυβική δομή με επίκεντρο πρόσωπο τύπου NaCl και έχει εξαιρετικά υψηλή ενέργεια δεσμού. Σε σύγκριση με το SiC, το ZrC έχει υψηλότερο σημείο τήξης, μικρότερη διατομή θερμικής απορρόφησης νετρονίων και καλύτερες μηχανικές ιδιότητες σε υψηλή θερμοκρασία και αντοχή στην ακτινοβολία από το SiC. Επί του παρόντος, υπάρχει αυξανόμενη έρευνα για το ZrC και μια σημαντική ερευνητική κατεύθυνση είναι να χρησιμοποιηθεί ως νέος τύπος φραγμού προϊόντων σχάσης για την ενθυλάκωση σωματιδίων καυσίμου.
Σχήμα 6. Μορφή στοιχείου καυσίμου και σωματίδια καυσίμου χρησιμοποιώντας κεραμικό ZrC ως μήτρα και/ή στρώμα επικάλυψης
(4) Καρβίδιο του βορίου
Το B4C ανήκει στο ρομβοεδρικό σύστημα, το οποίο μπορεί να θεωρηθεί ως μια τρισδιάστατη δομή ενός κυβικού πρωτόγονου πλέγματος τεντωμένου στη χωρική διαγώνια κατεύθυνση, με κανονικό εικοσάεδρο βορίου διατεταγμένο σε κάθε επάνω γωνία. Το B4C είναι ένα σημαντικό υλικό απορρόφησης νετρονίων, υλικό ράβδου ελέγχου και υλικό θωράκισης σε συστήματα πυρηνικής ενέργειας, με χαμηλή πυκνότητα, υψηλό σημείο τήξης και σκληρότητα.
Το B4C έχει διαφορετικές μορφές χρήσης σε διαφορετικούς αντιδραστήρες. Στον αντιδραστήρα βραστό νερό, το κονιοποιημένο B4C ενθυλακώνεται σε επένδυση από ανοξείδωτο χάλυβα ως υλικό θωράκισης θερμικών νετρονίων. Η σκόνη B4C χρησιμοποιείται επίσης ως υλικό απορρόφησης νετρονίων σε αντιδραστήρες βαρέος νερού και η σκόνη B4C φορτώνεται σε σωλήνες από ανοξείδωτο χάλυβα για να σχηματίσει ένα συγκρότημα ράβδου ελέγχου. Ένας κύλινδρος που αποτελείται από άνθρακα και B4C χρησιμοποιείται ως ράβδος ελέγχου σε αντιδραστήρα αερόψυκτου υψηλής θερμοκρασίας. Ο αντιδραστήρας γρήγορης αναπαραγωγής νετρονίων χρησιμοποιεί πυροσυσσωματωμένα σφαιρίδια B4C τοποθετημένα σε επένδυση από ανοξείδωτο χάλυβα για την κατασκευή ράβδων ελέγχου, οι οποίες χρησιμοποιούνται ως υλικά ράβδων ελέγχου πυρήνα αντιδραστήρα. Επιπλέον, το B4C μπορεί επίσης να μετατραπεί σε πέλλετ απορρόφησης B4C, τα οποία χρησιμεύουν ως το δεύτερο σύστημα διακοπής λειτουργίας για αντιδραστήρες αερόψυκτους αντιδραστήρες υψηλής θερμοκρασίας και μπορούν επίσης να χρησιμεύσουν ως μπλοκ απομόνωσης κατά την επεξεργασία αναλωμένου καυσίμου για την αποφυγή απροσδόκητης κρισιμότητας.
Εικόνα 7: Κρυσταλλική δομή καρβιδίου βορίου
Εκτός από το καρβίδιο ουρανίου, το καρβίδιο του πυριτίου, το καρβίδιο του ζιρκονίου και το καρβίδιο του βορίου που περιγράφονται παραπάνω, υπάρχουν πολλά άλλα πιθανά υλικά καρβιδίου εξαιρετικά υψηλής θερμοκρασίας, ειδικά το καρβίδιο μετάλλων μεταπτώσεως, το οποίο είναι το σύστημα υλικών με το υψηλότερο σημείο τήξης μεταξύ των γνωστών ενώσεων. Αυτός ο τύπος καρβιδίου περιλαμβάνει καρβίδιο τιτανίου (TiC), καρβίδιο τανταλίου (TaC) και καρβίδιο νιοβίου (NbC).
περίληψη
Επί του παρόντος, η εφαρμογή κεραμικών καρβιδίων σε συστήματα πυρηνικής ενέργειας έχει γίνει ολοένα και πιο διαδεδομένη. Για παράδειγμα, το SiC ως υλικό επένδυσης και το B4C ως υλικό απορρόφησης νετρονίων έχουν τεθεί σε χρήση, ενώ το καύσιμο UC και το ZrC ως υποψήφιο υλικό επένδυσης βρίσκονται και τα δύο υπό ανάπτυξη. Ορισμένα υλικά έχουν ολοκληρώσει τη δοκιμή ακτινοβολίας στον αντιδραστήρα και πρόκειται να εφαρμοστούν σε εμπορικούς αντιδραστήρες.
Στο μέλλον, η έρευνα για κεραμικά υλικά πυρηνικού καρβιδίου θα επικεντρωθεί: (1) στη βελτίωση της απόδοσης. Ορισμένα υλικά καρβιδίου έχουν αδύναμες αντιοξειδωτικές ιδιότητες και μπορούν να επιχειρηθούν με προοξείδωση σε υψηλή θερμοκρασία, ντόπινγκ στοιχείων, αντιοξειδωτικές επικαλύψεις και άλλες μεθόδους. (2) Η διαδικασία προετοιμασίας επικεντρώνεται τόσο στη σύνθεση σκόνης όσο και στη σύντηξη, παράγοντας σκόνες καρβιδίου με μικρότερα σωματίδια, πιο ομοιόμορφη κατανομή και καλύτερη σφαιρικότητα. (3) Θέματα συμβατότητας, απόκτηση και καθιέρωση δεδομένων ακτινοβολίας, επιστημονική έρευνα και παραγωγή μηχανικής.
Πηγή αναφοράς:
1. Κατάσταση εφαρμογής κεραμικών υλικών καρβιδίου στο πεδίο πυρηνικού αντιδραστήρα Cheng Xinyu, κ.λπ.
2. Παρασκευή και ιδιότητες κεραμικών σκονών καρβιδίου ουρανίου και βοριοειδούς ουρανίου από τον Guo Hangxu
3. Προετοιμασία της δομής του κελύφους πυρήνα σκόνης καρβιδίου βορίου και μελέτη απόδοσης σύνθετων υλικών
Συγγραφέας: Sunny Day
