تحديات التآكل المادي في مفاعلات الصدر المكشوفة

Understanding Sodium-Cooled Fast Breeder Reactors

وتمثل مفاعلات التوليد السريعة التي تعمل بالفولاذ الصوديوم طبقة من النظم النووية المتقدمة المصممة لإنتاج مواد انشطارية أكثر مما تستهلك، وتوسيع نطاق موارد الوقود بفعالية، والحد من النفايات النووية ذات العمر الطويل، وتعمل هذه المفاعلات بطائفة مائية سريعة، وتزيل الحاجة إلى جهاز للتداول، وتستخدم الصوديوم السائل كبشوء رئيسي.

وفي مفاعل مولدات سريعة نموذجية، يمكن أن تصل درجة الحرارة الأساسية إلى 550 درجة مئوية أو أعلى، في حين أن المكونات الهيكلية مثل الرصيف، والمضخات، ومبادلات الحرارة، وقطع الوقود تتعرض باستمرار إلى صوديوم التدفق، وعلى مدى عقود من العمل، يمكن أن تتراكم حتى أسعار التآكل الصغيرة إلى درجة كبيرة من التكتل الجداري، وفقدان السلامة الميكانيكية، والتفريغات المشعة المحتملة.

آليات التصويب في بيئات الصوديوم السائلة

والتآكل في الصوديوم السائل يختلف اختلافاً جوهرياً عن التآكل في النظم الكهروكيميائية، بل يشمل بدلاً من ذلك فسخ الجسم، وردود الفعل الكيميائية، والنقل الجماعي، كما أن ارتفاع درجات حرارة التشغيل يزيد من سرعة هذه العمليات، وتشمل أساليب التآكل الرئيسية التي لوحظت في مكونات FBR تفكيك النظام، والحفر، وكسر الإجهاد، والهجوم بين الكارفور، وظاهرة لنقل الكتل.

حل المشكلة

ويحدث تفكك الزي الرسمي عندما يذوب سطح مادة هيكلية ببطء في الصوديوم السائل، ويقوده ذلك إلى قابلية العناصر المحبة للذوبان (وبخاصة النيكل والكروم والحديد) في الصوديوم، ومعدل الحرارة الحرارية المتدرج بين سطح المعدن ودرجة الصوديوم البازدائي، ويتبع معدل الارتفاع المستمر في درجة الحرارة ومعدل الارتحال في التربة.

ويشكل حل الزي الرسمي شاغلا خاصا بالنسبة للعناصر ذات الجدران الرقيقة مثل أنبوب ربط الوقود وأجهزة تبادل الحرارة، وقد يؤدي تصميمها على مدى فترة تتراوح بين 30 و 40 سنة، حتى عدد قليل من الميكرويين سنويا إلى فقدان معدني كبير، مما يلحق الضرر بحدود الضغط والقوة الهيكلية.

Pitting Corrosion

وكثيرا ما يرتبط التآكل في الصوديوم السائل بوجود أوزهق الأوكسجين أو الرطوبة، وقد يكون أكسيد الصوديوم (Na2O) وهيدروكسيد الصوديوم (NaOH) قادرا على تكوين طبقات أوكسيدية سلبية هجومية على الفولاذ اللاصق، وعندما تبدأ الحفر تنمو تلقائيا، وتشكل كميات كبيرة من الثقلات ذات الوزن الضيق.

التعقب الإجهادي

أما اتفاقية استكهولم في نظم الصوديوم فهي نادرة مقارنة بالبيئات المتأصلة، ولكن يمكن أن تحدث في ظروف محددة: وجود الشوائب السببية (مثلاً، ناو،) والضغوط الشديدة الارتداد، والهياكل الدقيقة القابلة للتأثر، وتشمل آلية التفكيك إنشاء مسار معكوس محلي على طول حدود الحبوب أو الطائرات المزلاجة.

هجوم عابر

إن الهجوم المتقاطع هو أسلوب تآكل يخترق على نحو تفضيلي حدود الحبوب، وكثيرا ما ينتج عن نضوب الكروم بالقرب من حدود الحبوب بسبب التوعية (العالم في الفولاذ غير القابل للذوبان البالغ 304) أو عن فسخ كربون الكروم بصورة انتقائية في الصوديوم، ويمكن أن تضعف المادة وأن تتصرف كسلف للكسر العالي.

Mass Transfer Phenomena: Carburization and Decarburization

ويتوقف نقل الكربون بين الفولاذ الهيكلي والصوديوم، حيث يرتفع معدل الحرارة، والكربون الذي يُمكن استيعابه من الصوديوم إلى الفولاذ (الحرق) أو يُستخرج من الفولاذ إلى الصوديوم (الحرق)، ويزيد من قوة الحرق السطحي ويقلل من درجة حرارة الارتداد، ويقلل من درجة حرارة التحلل.

فعلى سبيل المثال، في الساق الساخنة لمفاعل )٥٥٠-٦٠٠ درجة مئوية(، قد ينفجر الفولاذ الأسمدري بينما قد ينفجر الفولاذ الأوستني، وقد تسبب هذا التحول المتباين في الكربون في خلط شديد في بعض تجمعات الوقود التجريبية، كما أن التحكم في نشاط الكربون من خلال إدارة نقاء الصوديوم واستخدام عناصر تثبيت الاستقرار )مثلا، النيوبيوم، والتانيوم، أساسية(.

العوامل الرئيسية التي تؤثر على أسعار الصرف

وهناك عوامل مترابطة عديدة تحدد مدى شدة التآكل في بيئة سادة السائل، فهم هذه العوامل أمر حاسم في تصميم المفاعلات ذات الهامش التآكلي المقبول.

درجة الحرارة

فمعدلات الكوروزيون في زيادة الصوديوم التي ترتفع بدرجة حرارة بعد علاقة من نوع آرهينيوس، إذ يمكن أن تضاعف أو تضاعف الزيادة بمقدار ثلاث مرات معدل الحل، وبما أن النواة من الفلوروكربون تعمل في درجات حرارة عالية (التي تبلغ في الغالب 500-650 درجة مئوية)، فإن تقليل البؤر الساخنة إلى أدنى حد، وتفادي التقلبات المحلية أمران بالغا الأهمية، كما أن التحول الحراري ودرجات الحرارة تؤدي إلى تعزيز النقل الجماعي.

Purity

كما أن تركيز البيوت غير المعدنية - وخاصة الأكسجين والهيدروجين والكربون والنيتروجين - له أثر عميق على التآكل، ويقل محتوى الأوكسجين، حتى على مستويات منخفضة مثل بضعة أجزاء في المليون، ويعجل بالتفكك الموحد ويعزز التفريغ، ويضع النيتروجين في شكل نا تو، الذي يمكن أن يكسد سطح الصلب ثم يخفض محتوى النيتروجين، وينقل بفعالية إلى واجهة الأكسجين.

Flow Velocity and Turbulence

كما أن ارتفاع معدلات تدفق الصوديوم يزيد من النقل الجماعي للأنواع المذوبة بعيدا عن سطح المعادن، ويحافظ على درجة أكبر من التركز، وبالتالي يتسارع الانحلال، ويمكن أيضا للتوربولين أن يخفض مستويات أكسيد الحماية أو طبقات منتجات التآكل، وفي المناطق ذات السرعة العالية، مثل مضخات الضخ والرعد الحادة، يمكن أن يكون التحلل - التآكل حادا.

تركيب المواد والهياكل الدقيقة

وتظهر السكك الحديدية مقاومة مختلفة للتآكل في الصوديوم، إذ إن نيكل لديه قدرة عالية نسبياً على التحمل في الصوديوم، وبالتالي فإن السكك الحديدية ذات المحتوى النيكلي المرتفع (مثلاً، إنكونيل 718) تميل إلى إظهار خسارة جماعية أكبر من الفولاذ النيكل المنخفض، كما أن الكروم يحسن المقاومة بتشكيل طبقات أكسيدية مستقرة، ولا سيما عندما تكون هناك احتمالات لحجم الأكسجين.

استراتيجيات التخفيف من حدة الكوروسيون

وقد وضعت نُهج هندسية متعددة لمكافحة التآكل في مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور المحتوية على الصوديوم، وتوسيع نطاق اختيار المواد، والرقابة البيئية، والتصميم الأمثل.

اختيار المواد

إن اختيار المواد الهيكلية هو خط الدفاع الأول، إذ أن جميع المفاعلات، والرق، والمبادلات الوسيطة للحرارة، والصلب غير القابل للصدأ مثل النوع 316L(N) والنوع 304L، تستخدم على نطاق واسع بسبب مقاومة التآكل الجيدة، وقابلية الصنع، وقوة عالية الحرارة، غير أن تطبيقات الارتجاعية - مثل حرق الوقود، وتفكك النسيج الداخلي المتطور(12).

التكتل الواقي

وتوفر المعاطف السطحية حاجزا إضافيا، كما تم اختبار معاطف الألومنيد، التي تشكلت بتخزين التعبئة أو بتربة المبيدات الكيميائية، وتخلق طبقة ثابتة من ال2O3 تقلل إلى حد كبير من التآكل في الصوديوم، كما أن المعاطف المجهزة بالبلاسيد من الألمنيا أو اليتريا قد اختبرت، والمساوئ الرئيسية للملابس هي خطر تمزق أو تشقق في إطار التصفير السطحي.

المراقبة البيئية

وقد يكون الحفاظ على الصوديوم النقاءي فوق العالي هو أكثر تدابير التخفيف فعالية، فالفخاخ الباردة هي معيار في جميع عمليات الفرز، حيث تعمل على درجة حرارة تتراوح بين 100 و120 درجة مئوية لتهيؤ نا2و، ناهه، وغيرها من الازدحامات، وتستخدم أحياناً أفخاخ هوائية (مثلاً، أسلاك الزمريوم - الجيل) لزيادة خفض تركيزات الأكسجين والكربونات العالية.

وبالإضافة إلى ذلك، يمكن رصد النشاط الكيميائي للأكسجين والكربون في الصوديوم باستخدام أجهزة الاستشعار الكهروكيميائية (مثلاً، أجهزة قياس الأوكسجين القائمة على الزركونيا المستقرة) ويتيح الرصد المستمر الكشف المبكر عن حالات الارتداد ويتيح تعديل نظام التنقية في الوقت المناسب، وهذا أمر مهم بصفة خاصة أثناء البدء والغلق، عندما يمكن للمسافات الحرارية أن تُطلق الانقطاعات المحصورة.

اعتبارات التصميم

ويمكن لمصممي المفاعلات أن يقللوا من التآكل عن طريق خفض درجة حرارة النظام حيثما أمكن ذلك، وذلك مثلا باستخدام منطقة سطحية أعلى في مبادلات الحرارة للحد من الفوارق في درجات الحرارة، وتظل سرعة التدفّق عادة أقل من 10 مليتر/متر للحد من التآكل، واستخدام الأكمام الحرارية، ومستقيمات الزهر، والتحولات المثبطة بسلاسة تقلل الفلور.

وثمة استراتيجية تصميم أخرى تتمثل في استخدام حلقة ثانوية من الصوديوم تعزل الصوديوم الأولي (النشط) من مولدات البخار، وهذا لا يحول دون رد فعل على مياه الصوديوم فحسب، بل يتيح أيضاً للحلقة الثانوية احتواء كيمياء صوديوم مختلف (مثل المحتوى الأقل من الأوكسجين) على النحو الأمثل لمراقبة التآكل، وكل مفاعلات التوليد السريعة العاملة أو تحت التكوين هذه من قاعين.

الاتجاهات الحالية للبحث والمستقبل

وعلى الرغم من نجاح العمليات (]]]، فإن قاعدة بيانات المفاعلات السريعة التابعة للوكالة الدولية للطاقة الذرية تورد أكثر من 20 قائمة تجريبية ونموذجاً أولياً من FBRs)، لا يزال التآكل عاملاً يحد من ارتفاع درجات حرارة التشغيل ودورات الوقود الأطول.

المحارم التالية

وتركز الجهود على تطوير السكك الحديدية التي يمكن أن تصمد في درجات الحرارة تصل إلى 700 درجة مئوية بينما تقاوم التآكل، وتضرر الإشعاع، والزاحف، ومن بين أكثر النتائج واعدة الفولاذ المائي الذي يتكون من مادة الألومينا، والسبائك ذات الحجم المرتفع، والسوائر النانو الهيكلية التي تُستخدم في إطار نظام الطاقة الكهرمائية، وهي مواد يجري تقييمها في حلقات مختبرية في مراكز البحوث مثل [FLغم]

النموذج الحاسوبي

ويجري تطوير نماذج متقدمة - ديناميات السوائل الحاسوبية المتشابكة مع الديناميات الحرارية وأجهزة التكسير - للتنبؤ بالتآكل الطويل الأجل في ظروف التدفق ودرجات الحرارة الواقعية، ويمكن لهذه النماذج أن تساعد على تحديد موقع الفخاخ الباردة، وتقدير عمر المكونات، وتوجيه فترات التفتيش أثناء الخدمة، كما يجري تطبيق تقنيات التعلم من الآلات الصخرية على مجموعات البيانات الكبيرة.

التفتيش والرصد داخل البعثات

ونظرا لأن الصوديوم مفتت وشديد التفاعل، فإن التفتيش البصري التقليدي مستحيل، كما أن نظم التفتيش فوق الصوتي والسريع التي تعمل في الصوديوم المغمور يجري صقلها، كما أن تقنيات مثل تيدي تيدي وورقات الموجات فوق الصوتية يمكن أن تكشف عن الحفر وتصفيف الجدار دون الحاجة إلى إزالة المكونات.

تقنيات التأهيل المتقدمة

ويجري التحقيق في أساليب جديدة للتنقية، بما في ذلك التغيُّر الكهروكيميائي، والفخاخ الباردة مع تحسين تصميمات مبادلات الحرارة، والفصل بين مركبات الكربون على أساس الغشاء، والهدف هو الحد من أوجه القصور إلى مستوى الأجزاء المنخفضة لكل مليارات، الذي يتوقع أن يزيل تقريباً من الحفر ويقلل من الانحلال الموحد إلى مستويات لا تذكر.

خاتمة

(ب) إن التآكل المادي في مفاعلات التوليد السريعة التي تُستخدم في الصوديوم يشكل تحدياً متعدد الأوجه يؤثر مباشرة على سلامة المفاعلات والاقتصاد والعمر التشغيلي، ومن خلال مزيج من تطوير السواحل، ومراقبة نقية الصوديوم الصارمة، وتصميم الذكاء، نجحت الصناعة النووية في إدارة التآكل في المفاهيم الحالية المتعلقة بمركبات الكربون المفلورة، ومع تزايد الطموحات في درجات الحرارة المرتفعة، ودورات البحثية الطويلة، وزيادة القدرة على المنافسة الاقتصادية