الألومنيوم في المفاعلات النووية: الأجزاء الداخلية والكسوة وحدود الخدمة

لماذا يستخدم الألومنيوم في المفاعلات النووية

كان الألومنيوم أول معدن هيكلي يستخدم داخل المفاعل النووي، ولا يزال يمثل العمود الفقري لآلات البحث والاختبار. السبب نيوتروني وليس ميكانيكي: يبلغ المقطع العرضي لامتصاص النيوترونات الحرارية -من الألومنيوم حوالي 0.23 بارن، لذا فإن مكونات الألومنيوم المثبتة بالقرب من القلب تستهلك عددًا قليلاً جدًا من النيوترونات مقارنة بالفولاذ المقاوم للصدأ. استخدمت التجميعات الحيوية المبكرة مثل Chicago Pile-1 في عام 1942 الوقود المغطى بالألمنيوم لهذا السبب بالضبط.

يؤدي انخفاض امتصاص النيوترونات الطفيلية إلى إبقاء مخزون الوقود اللازم للحالة الحرجة متواضعًا.

تعمل الموصلية الحرارية العالية التي تصل إلى 237 واط/م ك على نقل الحرارة من ألواح الوقود إلى المبرد بكفاءة.

تسمح الكثافة المنخفضة البالغة 2.70 جم/سم3 بإضاءة عناصر الوقود وأجهزة التشعيع بسهولة التعامل معها.

توافق جيد مع وقود اليورانيوم في الأنظمة المبردة بالماء بدرجة حرارة تقل عن 200 درجة.

قابلية تصنيع ممتازة في الألواح الرقيقة والقنوات-والأنابيب الرفيعة الجدران.

الأجزاء الداخلية للمفاعل وواجبات المكونات

داخل مفاعل الأبحاث، يظهر الألومنيوم في أربع فئات مهمة رئيسية: تكسية عناصر الوقود وإطاراتها، وأجهزة إنتاج التشعيع والنظائر المشعة، وأنبوب الشعاع والأجهزة العاكسة، وأنابيب سائل التبريد بالإضافة إلى الخزان في -أقسام درجة الحرارة المنخفضة للحلقة. 6061- والبثق T6 هي الدرجة الهيكلية الافتراضية، في حين أن 1100 ورقة و5052 تكسية غطاء الأنبوب ومهام الأنابيب.

كما أن شفافية النيوترونات تجعل الألومنيوم مفيدًا للمكونات التي يجب أن تكون أقرب إلى مواقع التجربة، حيث من شأن أي هيكل فولاذي أن يخفض التدفق المتاح. تستخدم الأدوات الموجودة داخل أنابيب الشعاع والمرافق العرضية بانتظام إطارات دعم من الألومنيوم لهذا السبب.

الألمنيوم كغطاء للوقود

تهيمن عناصر الوقود من النوع-اللوحي على مفاعلات الأبحاث. يتم ربط لحم وقود اليورانيوم-المشتت من سيليكات الألومنيوم أو اليورانيوم بين ألواح غطاء سبائك الألومنيوم، ثم يتم تشكيلها في ألواح منحنية أو مسطحة يتم تجميعها في عنصر صندوقي. تشكل طبقات الأكسيد الرقيقة حاجزًا وقائيًا في الأنظمة المبردة بالماء-، وتمنع الكسوة منتجات الانشطار من المبرد الأولي.

إن قوة التسرب- وليس القوة هي التي تحدد تصميم الكسوة. يتم التحقق من جودة الرابطة بين لحم الوقود ولوحة الغطاء عن طريق الفحص بالموجات فوق الصوتية أثناء التصنيع، ويتم فحص العناصر النهائية للتأكد من تحمل الأبعاد وعيوب السطح قبل التحميل.

حدود الألومنيوم في التطبيقات النووية

تحدد درجة الحرارة الحد الصعب الأول. تزداد سبائك الألومنيوم وتفقد قوتها عند درجة حرارة تزيد عن 150 درجة تقريبًا، مما يستبعدها من دوائر التبريد الأولية لمفاعلات الطاقة، حيث يتم استخدام الفولاذ المقاوم للصدأ وسبائك الزركونيوم بدلاً من ذلك. يصبح تآكل الماء ملحوظًا مع ارتفاع درجات الحرارة، وهناك حاجة إلى التحكم الدقيق في كيمياء الماء لقمع هجوم التنقر على السطح المكسو.

يضيف التشعيع مجموعة ثانية من الحدود. في حالة النيوترونات العالية، يتعرض الألومنيوم لتورم الفراغ والنمو والتقصف، بينما تولد تفاعلات التحويل السيليكون والهيليوم داخل المعدن. يكون التنشيط شديدًا ولكنه قصير الأمد، نظرًا لأن التقاط النيوترونات ينتج صوديوم-24 بنصف عمر يبلغ 15-ساعة، لذلك تصبح أجهزة الألومنيوم قابلة للمعالجة بعد فترة قصيرة من الاضمحلال بدلاً من الحاجة إلى التعامل عن بعد على المدى الطويل.

وقف التشغيل وإعادة تدوير أجهزة الألومنيوم

يؤدي إيقاف مفاعل الأبحاث أو حلقة الاختبار إلى إنتاج تيار ألومنيوم محدد: أجهزة عناصر الوقود التي تتم إدارتها بالفعل كمواد مشععة، بالإضافة إلى هياكل منخفضة النشاط-مثل الخزانات والقنوات وإطارات منصات الحفر. يتم مسح المعدن منخفض النشاط-، ويتم تخزين الاضمحلال ثم صهره لإعادة استخدامه بشكل مقيد، وغالبًا ما تتم إعادة صياغته ككتل حماية، بينما يسترد الصهر أكثر من 95% من الألومنيوم النظيف. تعمل عملية تكرير المصهور والتكرير الكهربائي على فصل الألومنيوم عن التلوث الثقيل، وتحافظ المحاسبة الصارمة للمواد على الأجزاء النشطة داخل طرق النفايات المرخصة.

الأسئلة المتداولة

س: لماذا يستخدم الألمنيوم في مكونات المفاعلات النووية؟
نظرًا لأن المقطع العرضي لامتصاص النيوترونات الحرارية- يبلغ حوالي 0.23 بارن فقط، مما يحافظ على انخفاض خسائر التفاعل، ولأن موصليته الحرارية العالية تعمل على تحسين إزالة الحرارة من ألواح الوقود إلى سائل التبريد.

س: ما هي القيود الرئيسية للألمنيوم في التطبيقات النووية؟
تفقد السبائك قوتها عند درجة حرارة تزيد عن 150 درجة تقريبًا، ويتسارع تآكل الماء عند درجة حرارة مرتفعة، ويسبب ارتفاع النيوترونات الانتفاخ والتقصف. ولذلك تستخدم مفاعلات الطاقة سبائك الزركونيوم بدلاً من ذلك.

س: كيف يعمل الألمنيوم ككسوة للوقود النووي؟
يعمل بدرجة أقل بكثير من 200 درجة تقريبًا، ويشكل أكسيدًا واقيًا رقيقًا في الأنظمة المبردة بالماء-. فهو يتطلب كيمياء مياه خاضعة للرقابة لمنع التنقر وهو غير مناسب لوقود مفاعلات الطاقة التجارية.

س: ما هي سبائك الألومنيوم الشائعة في الأنظمة النووية؟
6061-T6 للمكونات الهيكلية، و1100 للتكسية ذات درجة الحرارة المنخفضة-، و5052 للأنابيب والخزانات، ودرجات Al-Ni-Fe لخدمة الاختبار الأكثر سخونة، ومسحوق الألومنيوم الملبد حيث تكون قوة التشتت مطلوبة.

س: كيف يتم إعادة تدوير الألومنيوم من المفاعلات التي تم إيقاف تشغيلها؟
يتم تخزين الأجهزة التي تم تنشيطها بحيث يتم تخزين المنتجات قصيرة العمر-مثل الصوديوم-24، ثم يتم مسحها وصهرها. يستعيد الصهر أكثر من 95% من المعدن النظيف، وغالبًا ما تتم إعادة صب الألومنيوم منخفض النشاط في كتل درعية.

س: هل تنشيط الألومنيوم مهم لأعمال الصيانة؟
نعم، ولكن لفترة وجيزة فقط. يتمتع الصوديوم-24 بنصف عمر-يبلغ حوالي 15 ساعة، لذلك يمكن الوصول إلى مكونات الألومنيوم بعد فترة تبريد قصيرة، على عكس المكونات التي تحتوي على منتجات تنشيط طويلة العمر.