'เกราะที่มองไม่เห็น' ของพลังงานนิวเคลียร์: โลหะผสมเซอร์โคเนียมปกป้องปฏิกิริยาลูกโซ่ได้อย่างไร

หากคุณมีโอกาสเข้าไปในโรงไฟฟ้านิวเคลียร์เครื่องปฏิกรณ์น้ำแรงดัน โดยผ่านชั้นป้องกันหนา คุณจะเห็นภาชนะรับความดันเหล็กขนาดใหญ่-เป็นหัวใจของเครื่องปฏิกรณ์ที่เรียกว่าแกนกลาง ภายในแกนกลาง ท่อโลหะเรียวหลายหมื่นท่อ แต่ละท่อยาวสามถึงสี่เมตร ถูกจัดเรียงไว้อย่างเป็นระเบียบ ตั้งอย่างเงียบๆ ในน้ำที่มีอุณหภูมิสูง- ท่อเหล่านี้ทำหน้าที่เป็นปลอกด้านนอกสำหรับเชื้อเพลิงนิวเคลียร์: ท่อหุ้มโลหะผสมเซอร์โคเนียม

พวกมันไม่ปล่อยแสงหรือสร้างความร้อน แต่พวกมันมีความรับผิดชอบด้านความปลอดภัยที่สำคัญที่สุดของปฏิกิริยานิวเคลียร์ทั้งหมด หากเปรียบเชื้อเพลิงนิวเคลียร์กับ "หัวใจ" ของเครื่องปฏิกรณ์ การหุ้มโลหะผสมเซอร์โคเนียมจะทำหน้าที่เป็น "เยื่อหุ้มหัวใจ" ที่ล้อมรอบหัวใจนี้-เป็นเกราะที่บางแต่แข็งแกร่ง และไม่อาจเสื่อมสลายได้

ทำไมต้องเซอร์โคเนียมโดยเฉพาะ?

ข้อกำหนดสำหรับวัสดุหุ้มเครื่องปฏิกรณ์ค่อนข้างเข้มงวด พวกเขาจะต้องปฏิบัติตามข้อกำหนดสามประการที่ดูเหมือนจะขัดแย้งกันไปพร้อมๆ กัน:

1. "การไม่แยแส" ต่อนิวตรอน – ส่วนตัดขวางการดูดกลืนแสง-สำหรับนิวตรอนความร้อนจะต้องต่ำมากเพื่อหลีกเลี่ยงการใช้นิวตรอนอันมีค่าซึ่งจำเป็นต่อการรักษาปฏิกิริยาลูกโซ่ไว้

2. ภูมิคุ้มกันต่อน้ำที่มีอุณหภูมิสูง- – เมื่อแช่ในน้ำที่มีฤทธิ์กัดกร่อนเป็นเวลานานที่ 300–400 องศา และภายใต้แรงดันสูง พื้นผิวจะเกิดสนิมหรือหลุดลอกน้อยที่สุด

3. "ความทนทาน" ของการฉายรังสี: คงคุณสมบัติทางกลภายใต้การระดมยิงด้วยนิวตรอนที่รุนแรงโดยไม่เกิดการเปราะหรือบวม

ทั่วทั้งตารางธาตุ มีโลหะเพียงไม่กี่ชนิดเท่านั้นที่ตรงตามเกณฑ์ทั้งสามข้อ แมกนีเซียมมีปฏิกิริยามากเกินไป อลูมิเนียมขาด-ความเสถียรของอุณหภูมิสูง และเหล็กมีการดูดกลืนนิวตรอนมากเกินไป... มีเพียงเซอร์โคเนียมเท่านั้นที่โดดเด่นในหมู่ตัวเลือกเหล่านี้ โดยมีส่วนตัดขวางการดูดกลืนนิวตรอนความร้อนต่ำ-เป็นพิเศษ-ที่ 0.18 บาร์เรล (ต่ำกว่าเหล็ก 2.56 บาร์เรลและนิกเกิล 4.5 บาร์เรลมาก) พร้อมด้วยความต้านทานการกัดกร่อนและการแผ่รังสีโดยธรรมชาติที่ยอดเยี่ยม ความต้านทาน การพัฒนาโลหะผสมเซอร์โคเนียมเป็นจุดเปลี่ยนที่สำคัญสำหรับ-การจำหน่ายเครื่องปฏิกรณ์น้ำแรงดันในเชิงพาณิชย์ขนาดใหญ่ หากไม่มีสิ่งเหล่านี้ ส่วนแบ่งของพลังงานนิวเคลียร์ในการผสมผสานพลังงานก็น่าจะลดลงอย่างมากในปัจจุบัน

การเปลี่ยนแปลงจากเซอร์โคเนียมเป็น "เกราะ"

อย่างไรก็ตาม เซอร์โคเนียมบริสุทธิ์อ่อนเกินไปและไม่มีความแข็งแรงเพียงพอที่จะทนทานต่อการขยายตัว/การหดตัวทางความร้อนที่รุนแรง และผลกระทบจากการไหลของน้ำภายในแกนเครื่องปฏิกรณ์โดยตรง เพื่อแก้ไขปัญหานี้ นักโลหะวิทยาได้พัฒนาโซลูชัน 2 ประการ:

ขั้นแรกให้ผสม การเติมธาตุจำนวนเล็กน้อย เช่น ดีบุก เหล็ก โครเมียม และนิกเกิล ลงในเซอร์โคเนียมทำให้เกิดระบบแบบคลาสสิกที่ใช้โลหะผสม Zr-2 และ Zr-4 สารเติมแต่งเหล่านี้แทรกซึมเข้าไปในโครงผลึกเซอร์โคเนียมเหมือนแท่งเสริมแรง ซึ่งช่วยเพิ่มความแข็งแรง ความต้านทานการคืบคลาน และความต้านทานต่อการกัดกร่อนของไฮดรอกไซด์ได้อย่างมาก ต่อมา ฝรั่งเศส สหรัฐอเมริกา และรัสเซียได้พัฒนาเกรดขั้นสูงขึ้น เช่น M5, ZIRLO และ E110 ซึ่งแสดงประสิทธิภาพที่เหนือกว่าอีกด้วย

ประการที่สอง ขจัดสิ่งสกปรก ในธรรมชาติ เซอร์โคเนียมและแฮฟเนียมอยู่ร่วมกันเป็นองค์ประกอบแฝดเสมอ อย่างไรก็ตาม ส่วนตัดขวางการดูดกลืนนิวตรอนความร้อนของแฮฟเนียม-มีค่าเป็น 600 เท่าของเซอร์โคเนียม- ทำให้กลายเป็น "หลุมดำ" ของนิวตรอนอย่างแท้จริง ด้วยเหตุนี้ เซอร์โคเนียมเกรดนิวเคลียร์-จึงต้องได้รับการควบคุมปริมาณแฮฟเนียมให้ต่ำกว่า 0.01% อย่างเคร่งครัด ซึ่งต้องใช้กระบวนการแยกตัวทำละลายที่ซับซ้อนมาก ซึ่งมีต้นทุนสูงกว่าเซอร์โคเนียมเกรดอุตสาหกรรม-มาก ด้วยเหตุนี้ การผลิต-เซอร์โคเนียมเกรดนิวเคลียร์จึงเป็นตัวบ่งชี้สำคัญในการพึ่งพาตนเองของอุตสาหกรรมนิวเคลียร์-ของประเทศ

อุปสรรคด้านความปลอดภัยประการแรก

ในระหว่างการทำงานของเครื่องปฏิกรณ์ บทบาทของท่อหุ้มมีมากกว่าแค่ "การห่อหุ้มเชื้อเพลิง" ความสมบูรณ์ของสิ่งเหล่านี้จะกำหนดขอบเขตของความปลอดภัยทางนิวเคลียร์โดยตรง

การป้องกันการรั่วไหลของผลิตภัณฑ์จากฟิชชัน: สารกัมมันตภาพรังสี เช่น ซีเซียมและไอโอดีนที่เกิดขึ้นในระหว่างการแตกตัวของนิวเคลียร์ สามารถรั่วไหลเข้าสู่สารหล่อเย็นได้โดยตรงหากถังบรรจุถูกละเมิด มาตรฐานพลังงานนิวเคลียร์ที่จัดตั้งขึ้นทั้งหมดกำหนดให้อัตราความล้มเหลวของถังบรรจุต้องต่ำกว่า 1 ต่อพันตลอดอายุการใช้งาน

การถ่ายเทความร้อน: ความร้อนจำนวนมากที่เกิดจากเม็ดเชื้อเพลิงจะต้องถูกถ่ายโอนอย่างรวดเร็วผ่านผนังหุ้มไปยังการไหลของน้ำภายนอก ซึ่งจะถูกแปลงเป็นไอน้ำเพื่อขับเคลื่อนกังหัน การนำความร้อนที่ดีเยี่ยมของโลหะผสมเซอร์โคเนียมทำให้มั่นใจได้ว่ามีประสิทธิภาพสูงในกระบวนการถ่ายเทความร้อนนี้

การทำงานที่ขีดจำกัดอุบัติเหตุ: ภายใต้สภาวะที่รุนแรง เช่น อุบัติเหตุการสูญเสียน้ำ อุณหภูมิแกนกลางอาจสูงกว่า 1200 องศา เมื่อมาถึงจุดนี้ เซอร์โคเนียมอัลลอยด์จะเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชันอย่างรุนแรงกับไอน้ำ ทำให้เกิดก๊าซไฮโดรเจน- นี่เป็นสาเหตุโดยตรงของการระเบิดของไฮโดรเจนในระหว่างอุบัติเหตุนิวเคลียร์ที่ฟูกูชิมะ ด้วยเหตุนี้ โลหะผสมเซอร์โคเนียมรุ่นต่อไป-จึงได้รับการพัฒนาเพื่อลดอัตราการออกซิเดชันที่อุณหภูมิสูง ดังนั้นจึงสร้างกรอบเวลาที่สำคัญสำหรับการระบายความร้อนในกรณีฉุกเฉิน