Dlaczego aluminium stosuje się w reaktorach jądrowych
Aluminium było pierwszym metalem konstrukcyjnym zastosowanym w reaktorze jądrowym i pozostaje głównym materiałem badawczym i maszynami testowymi. Powód jest raczej neutroniczny, a nie mechaniczny: przekrój poprzeczny absorpcji neutronów termicznych-aluminium wynosi około 0,23 barana, więc aluminiowe komponenty zainstalowane w pobliżu rdzenia zużywają bardzo mało neutronów w porównaniu ze stalą nierdzewną. Właśnie z tego powodu we wczesnych, krytycznych zespołach, takich jak Chicago Pile-1 z 1942 r., stosowano paliwo pokryte aluminium.
Niska absorpcja neutronów pasożytniczych sprawia, że zapasy paliwa potrzebne do osiągnięcia stanu krytycznego są skromne.
Wysoka przewodność cieplna w pobliżu 237 W/mK skutecznie przenosi ciepło z płyt paliwowych do płynu chłodzącego.
Niska gęstość wynosząca 2,70 g/cm3 umożliwia łatwe w obsłudze elementy paliwowe i urządzenia do napromieniania.
Dobra kompatybilność z paliwem uranowym w systemach-chłodzonych wodą w temperaturach poniżej około 200 stopni.
Doskonała możliwość obróbki cienkich płyt, kanałów i cienkościennych-rurek.
Elementy wewnętrzne reaktora i obowiązki komponentów
Wewnątrz reaktora badawczego aluminium występuje w czterech głównych klasach zastosowań: okładziny i ramy elementów paliwowych, urządzenia do napromieniania i produkcji izotopów, osprzęt lampy promieniowej i reflektora oraz przewody chłodziwa i zbiorniki w-odcinkach pętli o niskiej temperaturze. 6061-. Domyślnym gatunkiem konstrukcyjnym są profile wytłaczane T6, natomiast okładziny i rury z arkuszy 1100 i rur 5052.
Przezroczystość neutronów sprawia, że aluminium jest również przydatne w przypadku komponentów, które muszą znajdować się najbliżej pozycji eksperymentalnych, gdzie jakakolwiek konstrukcja stalowa obniżałaby dostępny strumień. Z tego powodu w przyrządach znajdujących się wewnątrz rur belek i obiektach stycznych regularnie stosuje się aluminiowe ramy nośne.
Aluminium jako okładzina paliwa
W reaktorach badawczych dominują elementy paliwowe typu płytowego-. Paliwo z uranu-aluminium lub dyspersji krzemku uranu jest łączone na rolkach pomiędzy płytami pokrywającymi ze stopu aluminium, a następnie formowane w zakrzywione lub płaskie płyty montowane w elemencie skrzynkowym. Cienkie warstwy tlenku tworzą barierę ochronną w systemach-chłodzonych wodą, a płaszcz utrzymuje produkty rozszczepienia z dala od głównego chłodziwa.
| Stop | Gęstość (g/cm3) | Typowa praca reaktora |
|---|---|---|
| 1100 (około 99% Al) | 2.71 | Obudowa niskotemperaturowa-, sprzęt o niskiej-aktywacji |
| 6061-T6 (Al-Mg-Si) | 2.70 | Ramy konstrukcyjne, obudowy elementów, rurociągi |
| 5052 (Al-Mg) | 2.68 | Rura chłodziwa, zbiorniki, ogólna produkcja |
| Gatunki Al-Ni-Fe | 2.72 | Okładzina opracowana do testów w wyższych temperaturach |
| Spiekany proszek aluminiowy | 2.70 | Komponenty-wzmocnione dyspersją-wysokotemperaturowe |
O konstrukcji okładziny decyduje raczej szczelność- niż wytrzymałość. Jakość połączenia miąższu opałowego z płytą pokrywy sprawdzana jest podczas produkcji metodą ultradźwiękową, a przed załadunkiem sprawdzane są gotowe elementy pod kątem tolerancji wymiarowej i wad powierzchniowych.
Ograniczenia aluminium w zastosowaniach jądrowych
Temperatura wyznacza pierwszy sztywny limit. Stopy aluminium ulegają nadwyżce i tracą wytrzymałość powyżej około 150 stopni, co wyklucza je z głównych obiegów chłodziwa reaktorów energetycznych, gdzie zamiast nich stosuje się stal nierdzewną i stopy cyrkonu. Korozja wodna staje się znacząca wraz ze wzrostem temperatury i konieczna jest precyzyjna kontrola składu chemicznego wody, aby stłumić atak wżerów na platerowaną powierzchnię.
Napromienianie dodaje drugi zestaw limitów. Przy wysokiej fluencji neutronów aluminium ulega pęcznieniu, wzrostowi i kruchości w pustych przestrzeniach, podczas gdy reakcje transmutacji wytwarzają wewnątrz metalu krzem i hel. Aktywacja jest poważna, ale krótkotrwała, ponieważ wychwyt neutronów wytwarza sód-24 z okresem półtrwania wynoszącym 15-godzin, więc sprzęt aluminiowy staje się możliwy do użycia po krótkim okresie zaniku, a nie wymaga długotrwałej zdalnej obsługi.
Likwidacja i recykling sprzętu aluminiowego
Wycofanie reaktora badawczego lub pętli testowej powoduje powstanie określonego strumienia aluminium: osprzęt elementów paliwowych już zarządzany jako materiał napromieniowany oraz konstrukcje o niskiej-aktywności, takie jak zbiorniki, kanały i ramy platform wiertniczych. Bada się metal o niskiej-aktywności, rozkłada się, przechowuje, a następnie topi w celu ponownego użycia w ograniczonym zakresie, często przerabiając go na bloki ekranujące, a podczas wytapiania odzyskuje się ponad 95% czystego aluminium. Rafinacja w stanie stopionym i elektrorafinacja oddzielają aluminium od cięższych zanieczyszczeń, a ścisła ewidencja materiałów utrzymuje aktywne frakcje w licencjonowanych trasach odpadów.
Często zadawane pytania
P: Dlaczego aluminium wykorzystuje się w elementach reaktorów jądrowych?
Ponieważ jego przekrój poprzeczny absorpcji neutronów termicznych- wynosi tylko około 0,23 bara, co utrzymuje niskie straty reaktywności, a także ponieważ jego wysoka przewodność cieplna poprawia odprowadzanie ciepła z płyt paliwowych do chłodziwa.
P: Jakie są główne ograniczenia aluminium w zastosowaniach nuklearnych?
Stopy tracą wytrzymałość powyżej około 150 stopni, korozja wodna przyspiesza w podwyższonej temperaturze, a wysoka fluencja neutronów powoduje pęcznienie i kruchość. Dlatego w reaktorach energetycznych zamiast tego stosuje się stopy cyrkonu.
P: Jak aluminium sprawdza się jako okładzina paliwa jądrowego?
Działa znacznie poniżej około 200 stopni, tworząc cienki tlenek ochronny w systemach-chłodzonych wodą. Wymaga kontrolowanego składu wody, aby zapobiec wżerom i nie nadaje się do komercyjnego paliwa do reaktorów energetycznych.
P: Które stopy aluminium są powszechne w systemach nuklearnych?
6061-T6 do elementów konstrukcyjnych, 1100 do okładzin-w niskich temperaturach, 5052 do rurociągów i zbiorników, gatunki Al-Ni-Fe do testów w wyższych temperaturach oraz proszek ze spiekanego aluminium, gdzie wymagana jest siła dyspersji.
P: W jaki sposób aluminium jest poddawane recyklingowi z wycofanych z eksploatacji reaktorów?
Aktywowany sprzęt jest przechowywany w stanie rozkładu, aby-produkty krótkotrwałe, takie jak sód-24, obumarły, a następnie zbadane i stopione. W wyniku wytapiania odzyskuje się ponad 95% czystego metalu, a aluminium o niskiej aktywności jest często przekształcane w bloki ekranujące.
P: Czy aktywacja aluminium ma znaczenie podczas prac konserwacyjnych?
Tak, ale tylko na krótko. Sód-24 ma okres półtrwania- wynoszący około 15 godzin, zatem komponenty aluminiowe stają się dostępne po krótkim okresie chłodzenia, w przeciwieństwie do komponentów zawierających długotrwałe produkty aktywacji.
