Miért illik az alumínium az atomreaktor alkatrészeihez?
Az alumínium azért nyeri el helyét az atomtechnikában, mert alig szól bele a neutrongazdaságba. Termikus neutronabszorpciós keresztmetszete -körülbelül 0,23 barn, ami egy nagyságrenddel kisebb, mint a rozsdamentes acél, így a vékony alumínium szerkezetek a mag közelében helyezkedhetnek el anélkül, hogy nagy reakcióképességi büntetést rónának ki. A fém emellett kiváló hővezető nagyjából 237 W/mK-nál, ami segít a hőnek az üzemanyagból a hűtőközegbe történő átvitelében meredek hőmérsékleti gradiens nélkül.
Neutronika:Az alacsony parazitaabszorpció miatt a kutatási és tesztreaktorok kritikusak maradnak, kevesebb hasadó készlettel.
Hőteljesítmény:A magas vezetőképesség korlátozza az üzemanyag középvonalát és a burkolat felületének hőmérsékletét.
Kezelés:A 2,70 g/cm3 sűrűség megkönnyíti a-cölöpök, a tartók és az árnyékolás mozgatását és elhelyezését.
Gyártás:az alumínium extrudálható, hengerelhető és vékonyfalú{0}}csatornákká és összetett célponttartókká alakítható.
Költség:az alumínium alkatrészek jóval olcsóbbak, mint a cirkónium vagy a titán megfelelői.
Ezeket az előnyöket a hőmérséklet korlátozza. Az alumíniumötvözetek körülbelül 150 fok felett kezdenek veszíteni szilárdságából, és a fém 660 fokon megolvad, így az alumínium inkább kutatóreaktorok, teszthurkok, árnyékolások és kísérleti létesítmények anyaga, mintsem kereskedelmi erőművi reaktormagok számára.
Üzemanyag burkolat a kutató- és tesztreaktorokban
Az alumínium burkolat továbbra is a lemezes{0}}típusú és diszperziós üzemanyag-elemek szabványa. Az urán-alumínium vagy urán-szilicid tüzelőanyag-húst alumíniumötvözet fedőlemezek közé hengerelve-kötik, és a kész elemet a reaktor kialakításától függően dobozba vagy csatornába szerelik össze. A burkolat elszigeteli a tüzelőanyagot a hűtőközegtől, megtartja a hasadási termékeket, és biztosítja a szerkezeti felületet, amelyen a hűtőfolyadék átáramlik.
| Ötvözet | Tipikus forma | Funkció a magban |
|---|---|---|
| 1100 | Hengerelt lemez és lap | Alacsony-hőmérsékletű burkolat, alacsony aktiválású hardver |
| 6061-T6 | Extrudálások és lemez | Szerkezeti elemek, fűtőelem keretek, csövek |
| 5052 | Lap és cső | Hűtőfolyadék csövek, tartályok, általános gyártás |
| Al-Ni-Fe fokozatok | Hengerelt cső és lemez | Burkolat magasabb{0}}hőmérsékletű vizsgálati körülményekhez |
| Szinterezett alumínium por | Préselt rúd és cső | Magas-hőmérsékletű diszperziós-szilárdságú alkatrészek |
A burkolat integritása ugyanúgy függ a víz kémiájától, mint az ötvözetválasztástól. A hűtőfolyadék pH-ját, vezetőképességét és az oldott oxigént keskeny sávokban tartják, hogy a védő oxidfilmet stabilan tartsák, és megakadályozzák az alumínium felületén a lyukasztást.
Határértékek és meghibásodási módok a besugárzási szolgáltatásban
Gyors neutronfluxus hatására az alumínium besugárzásnövekedést, üregduzzadást és keményedést szenved el. A duzzadás mérhetővé válik nagy fluencia mellett, és a transzmutáció szilíciumot és héliumot termel a fém belsejében, amelyek mindkettő megváltoztatja a mechanikai viselkedést. Az alumínium rövid távon is erősen aktiválódik: a neutronbefogás 15 órás felezési idővel nátrium-24-et képez, amely meghatározza azt a bomlási időszakot, amelynek el kell telnie minden kezelési vagy karbantartási munka előtt.
A körülbelül 150 fok feletti szilárdságveszteség kizárja az alumíniumot a nagyteljesítményű reaktormagokból.
Az emelkedett-hőmérsékletű vízkorrózió nagyjából 200 fok fölé gyorsul, hacsak nincs szigorúan ellenőrzött a víz kémiája.
Feszültségkorróziós repedés lehetséges nedves környezetben, ahol nagy a maradékfeszültség.
A cirkóniumötvözetek kiszorítják az alumíniumot, ahol magasabb üzemi hőmérsékletre és hosszú üzemanyagciklus-élettartamra van szükség.
Hulladéktárolás, árnyékolás és kutatási létesítmények
A hulladékgazdálkodásban az alumínium hasznos átmeneti anyag, de hosszú távon is igényes{0}}anyag. A nedves tárolási környezet elősegíti a korróziót és a kapcsolódó hidrogénképződést, amelyet lezárt tartályokban kell kezelni. Az ötvözést, az eloxálást vagy a bevonatot általában a tartósság növelésére használják, és a rozsdamentes acél továbbra is a hosszú távú geológiai ártalmatlanítási csomagok referenciaanyaga.
Az árnyékoláshoz az alumíniumot bór-tartalmú vegyületekkel, például bór-karbiddal kombinálják, hogy elnyeljék a neutronokat, miközben alacsony a súlya, és ólommal vagy betonnal rétegezik, ahol gamma-csillapítás szükséges. A megmunkálhatóság lehetővé teszi az árnyékolás geometriájának az érzékelő elrendezéséhez és a sugárportokhoz való hozzáigazítását, az alacsony mágneses permeabilitás pedig elkerüli a mágnesrendszerek zavarását a gyorsító és a sugárnyaláb rendszerekben. A nagy-tisztaságú alumíniumot neutronszórás műszerkeretekhez és detektortámaszokhoz is használják, ahol a szennyeződés torzítaná a mérést.
Leszerelés és fémek visszanyerése
Amikor egy kutatóreaktort vagy tesztkört leállítanak, az alumínium alkatrészeket a rövid élettartamú aktiválási termékek bomlása miatt tartják vissza, majd a kibocsátás előtt radiológiai vizsgálat jellemzi. Az alacsony -aktivitású anyagok megolvaszthatók és újraönthetők korlátozott újrafelhasználásra, például árnyékoló blokkok, míg a szennyezett frakciók engedélyezett radioaktív hulladékokba kerülnek. A 95% feletti olvasztási visszanyerési arány elérhető tiszta hulladék esetén, és itt is ugyanaz az ötvözet-leválasztási fegyelem érvényes, mint a hagyományos újrahasznosításnál.
Gyakran Ismételt Kérdések
K: Miért használnak alumíniumot az atomreaktor alkatrészekben?
Alacsony neutronabszorpciós keresztmetszete-minimálisra csökkenti a láncreakcióval való interferenciát, nagy hővezető képessége javítja a hőátadást, könnyű súlya pedig leegyszerűsíti a{1}}cölöpön belüli szerelékek és belső elemek kezelését.
K: Használnak alumíniumot nukleáris üzemanyag burkolatként?
Igen, de főleg kutató- és tesztreaktorokban. A hengerelt-alumínium-burkolatú lemezes üzemanyag dominál ezekben a létesítményekben, mivel költséghatékony, és jóval 200 fok alatt teljesít.
K: Milyen kihívásokat jelent az alumínium a nukleáris hulladék tárolásában?
A nedvesség elősegíti a korróziót és a hidrogénképződést a zárt tartályokban, és a hosszú távú tartósság-kevésbé bizonyított, mint a rozsdamentes acél, ezért az átmeneti tároláshoz bevonatokra vagy ötvözetválasztásra van szükség.
K: Hogyan működik az alumínium a nukleáris árnyékolásban?
Mérsékelt sűrűsége bór-adalékokkal kombinálva hatékony neutronárnyékolást tesz lehetővé, míg ólommal vagy betonnal van bevonva a gamma csillapítás érdekében, és egyedi geometriákká alakítják a detektorok körül.
K: Miért használnak nagy{0}}tisztaságú alumíniumot a kutatási létesítményekben?
Az alacsony aktiválás és az elhanyagolható mágneses interferencia megóvja a nyalábvonal alkatrészeket, a műszerkereteket és a célponttartókat attól, hogy megzavarják a neutronszórási kísérleteket vagy a mágnesrendszereket.
K: Mely alumíniumötvözetek gyakoriak a nukleáris munkában?
1100 alacsony-hőmérsékletű burkolatokhoz, 6061-T6 szerkezeti elemekhez, 5052 csővezetékekhez és tartályokhoz, Al-Ni-Fe minőségek melegebb vizsgálati körülményekhez, és szinterezett alumíniumpor, ahol diszperziós szilárdságra van szükség.
