پیگیری ایمنی و طول عمر عملیاتی در راکتورهای هسته ای علاقه مند به مواد خود شفا بخش است، این مواد پیشرفته می توانند به طور خودکار آسیب های ناشی از اشعه، دوچرخه سواری حرارتی و استرس مکانیکی را شناسایی و تعمیر کنند، کاهش نیازهای تعمیر و نگهداری و جلوگیری از شکست های فاجعه بار، در حالی که هنوز در مراحل رشد، مواد ایمنی خود درمانی یک مسیر امیدوار کننده برای سیستم های انعطاف پذیر تر ارائه می دهند.

درک مواد خود-Healing در محیط های هسته ای

مواد خود شفا بخش برای بازگرداندن یکپارچگی عملکردی یا ساختاری خود پس از آسیب بدون مداخله خارجی مهندسی شده اند که با الهام از فرآیندهای بیولوژیکی مانند بهبود زخم یا لخته شدن خون، این سیستم ها شامل عوامل شفا، اوراق برگشت پذیر یا اثرات شکل گیری شکل گیری، در زمینه هسته ای، مواد با شرایط شدید مواجه می شوند - شار شدید نوترون، اشعه، دما از 300 درجه سانتیگراد تا بیش از 1000 درجه سانتیگراد، و ترمیم سریع عمر، بنابراین باید قابلیت های خود را تکرار کنند.

برنامه ها شامل خطوط ایمنی، پوشش سوخت، مکانیسم های کنترل میله و پشتیبانی ساختاری است.یک تمایز کلیدی بین خود شفای ذاتی (جایی که مواد به طور ذاتی اوراق قرضه پس از آسیب) و بهبود خوددرمانی بیرونی (جایی که کپسول های جاسازی شده یا اپراتورهای تصفیه شبکه های عروقی) هر دو با چالش های منحصر به فرد تحت اشعه و شرایط بالا دما مواجه هستند.

انواع مواد خود-Healing و مکانیسم های آنها

سیستم های مبتنی بر پلیمر

پلیمر ماtrics با عوامل شفابخش خرد شده در میان بیشتر موارد مورد مطالعه قرار می گیرند (هنگامی که یک کراک منتشر می شود، پارگی کپسول ها، آزاد کردن مونوم هایی که پلیمریزه برای مهر و موم شکاف در تنظیمات هسته ای، پلیمر ها عمدتا برای پوشش های لایه ای از مواد تشکیل شده، و عایق الکتریکی در نظر گرفته می شوند، با این حال، حساسیت آنها به زنجیره ای که به بررسی و محدودیت های پروتئینی آنها می رسد.

سرامیک و کامپوزیت های Glass-Ceramic

سرامیک ارائه می دهد ثبات حرارتی عالی و تابشی است. خود شفا در سرامیک اغلب بر تغییرات مرحله (به عنوان مثال، zirconia) یا واکنش های اکسیداسیون که پر از ترک ها است. کامپوزیت سیلیکون (SiEA) کامپوزیت، استفاده در مفاهیم پیشرفته راکتور؛ خود را از طریق تشکیل سیلیس در دما بالا.

آلیاژهای فلزی و مواد Shape-Memory

فلزات را می توان با میکروکپسول هایی که حاوی عوامل تصفیه مایع (به عنوان مثال، آلیاژهای کم ارتفاع) یا با آلیاژهای شکل (SMAs) که شکاف های نزدیک بر گرمایش آلومینیوم و فولاد ماشومترها مورد مطالعه قرار گرفته اند، مهندسی کرد.

خود-Healing Concrete برای ساختارهای بازداشتی

بتن به طور گسترده ای در ساختمان های مهار هسته ای استفاده می شود. بتن خود شفا از اسکرت های باکتریایی یا ترکیبات شیمیایی که کربنات کلسیم را برای مهر و موم کردن ترک ها پیش بینی می کنند، در حالی که در زیرساخت های مدنی موثر است، محیط های هسته ای اشعه گاما را اضافه می کنند که می تواند باکتری ها را استریل کند و گرمای شدید که کربنات تجزیه می کند. تحقیقات در آزمایشگاه ملی

چالش های کلیدی در اتخاذ هیندینگ

آسیب به مکانیسم های شفا

شدیدترین چالش، تخریب اشعه است.نورو و تابش گاما پیوندهای شیمیایی را در پلیمرها، کاتالیزورهای غیر فعال در سیستم های بیرونی، و ایجاد جابجایی اتمی در سرامیک و فلزات است، اما کپسول های خود شفا دهنده ممکن است به دلیل تورم ناشی از تابش، از بین بروند.

دمای شدید و دوچرخه سواری حرارتی

دمای Reactor در زمان خاموش شدن تا ۳۰۰-۶۰۰ درجه سانتی گراد در راکتورهای آب نور و بالاتر در سیستم های Gen IV متغیر است. عوامل شفا دهنده باید در این محدوده پایدار باقی بمانند. بسیاری از پلیمرهای جاسازی شده زیر ۲۰۰ درجه سانتی گراد کاهش می یابند که سرامیک نیاز به دمای بالا برای بهبودی دارند که ممکن است در طول رویدادهای غیر عادی ادامه نداشته باشند.

امکان پذیری با مواد موجود و سیستم ها

اجزای Reactor باید با خنک کننده ها (آب، فلز مایع، گاز)، واکنش پذیری و خواص خوردگی سازگار باشند. اضافه کردن ویژگی های خود شفابخش ممکن است هدایت حرارتی، جذب نوترون یا قدرت مکانیکی را تغییر دهد.

قابلیت اطمینان و گواهینامه ایمنی

فرهنگ ایمنی هسته ای خواستار عملکرد قابل پیش بینی و قابل پیش بینی است.خود درمانی نباید حالت های شکست را معرفی کند یا قدرت اصلاح را کاهش دهد، پس از چرخه های متعدد بهبودی اغلب کم است (<70% recovery). Standardized test methods for self-healing under radiation are absent. Regulatory bodies like the U.S. Nuclear Regulatory Commission (NRC) require vast data for licensing. دستورالعمل های خود-NRC[۱۰] [FLT ۱] در حال حاضر فاقد مقررات برای مواد خود شفا بخش است، که یک مانع ایجاد می کند.

تحقیقات فعلی و مطالعات خلبان

عوامل شفابخش پرتو-Resistant Healing Agents

محققان در حال توسعه میکروکپسها با عوامل شفا دهنده ارگانیک (به عنوان مثال، رزین های سیلیکون) هستند که تکنیک های مقاوم به اشعه هستند.

تست In-Situ در Reactors

کمپین های پرتوی در امکاناتی مانند Reactor پیشرفته تست در INL و High Flux Isotope Reactor (HFIR) در ORNL مواد خود شفا بخش تحت شار نوترونی را آزمایش می کنند.

مدل سازی محاسباتی

مدل سازی چند مقیاسی – از شبیه سازی های اتم (DFT، MD) تا تجزیه و تحلیل عناصر محدود – پیش بینی می کند که گرایش های درمانی، اثرات تابشی و بازیابی مکانیکی. یادگیری ماشین به سرعت کشف شیمی دانان بهینه را تسریع می کند.

مسیر های آینده و چشم انداز Feasibility

رویکرد های ترکیبی و سلسله مراتبی

ترکیب چندین مکانیسم درمانی (به عنوان مثال، کامپوزیت های پلیمری با میکروکپسول های سرامیکی) ممکن است بر محدودیت های فردی غلبه کند. ساختارهای سلسله مراتبی با بهبود قابل برنامه ریزی در سطوح مختلف آسیب تحت تحقیق هستند، به عنوان مثال، یک پوشش فلزی با میکروکپسول ها برای ترک های کوچک و سیم های شکل برای تغییر شکل بزرگ.

ادغام با دوقلوهای دیجیتال و نظارت بر وضعیت

مواد خود شفا دهنده را می توان با شبکه های سنسور که آسیب و تحریک بهبودی را تشخیص می دهند جفت کرد (به عنوان مثال، حرارت مقاومتی برای SMAs) دوقلوهای دیجیتال از اجزای راکتور با استفاده از مواد خود شفا می تواند چرخه های عمر باقی مانده و برنامه ریزی برای بهبودی پیشگیرانه را پیش بینی کند.

برنامه های نزدیک به مدت در مقابل کامل اصلی Deployment

در دهه بعد، پوشش های خود شفابخش برای لوله های خنک کننده و خطوط مهار کننده ممکن است قابل دوام باشد.پوشش سوخت و داخلی هسته نیاز به مدرک بسیار طولانی تر دارد. تظاهرات در راکتورهای آزمایش مواد و سپس در نمونه های تجاری (به عنوان مثال، راکتورهای کوچک ماژولار، SMRs) احتمالاً دروازه های تحقیقاتی مانند FLT:0Nu صنعت انرژی مشخص می کند.

نتیجه گیری

مواد ایمنی خود شفا بخش پتانسیل تحول آفرین برای انرژی هسته ای را حفظ می کنند، اما امکان سنجی با اشعه، دما، سازگاری و چالش های گواهینامه محدود می شود.پیشرفت در شیمی دانان مقاوم در برابر اشعه، تولید پیشرفته و مدل سازی به تدریج محدود کردن شکاف است در حالی که استقرار فوری در سیستم های هسته ای اولیه بعید است، ادغام تدریجی به ساختارهای ثانویه و اجزای مهار به نظر می رسد در 15 تا 20 سال آینده امکان پذیر است.