תפקיד אלפא Decay ביציבות דלק גרעינית

מרכיבי דלק גרעיניים חייבים לשמור על השלמות הפיזית והכימיקלית שלהם על פני תקופות ארוכות תחת קרינה קיצונית, טמפרטורה ותנאי לחץ.בין התופעות הרבות המשפיעות על ביצועי הדלק, אלפאון ממלא תפקיד קריטי במיוחד משום שהוא טווה לאאיזוטופים הכבדים המשפיעים ביותר, כוחם של כורים מסחריים ומחקריים ביותר.Alpha לא רק משנה את הרכב של הדלק אלא גם מציג נזק מבני שיכול להגביל את החיים שימושיים, המשפיעים על בטיחות ופעולות של ריפוי, או יעילות יותר, אשר משפיעות על ידי ריפוי לקויות של חומרי פסולת, או יעילות יותר, אשר מנבאת של דלק, או שיטות ניהול יעילות יותר, אשר מנבאת של דלק, אשר מנבאת של שיטות ניהול מנגנוני ריפוי, או יעילות יותר.

מאמר זה מספק בדיקה מעמיקה של דעיכה אלפא בהקשר של דלק גרעיני, המכסה את הפיזיקה הבסיסית של התהליך, ההשפעות הספציפיות שלו על מיקרו-מבנה דלק ונכסים מכניים, דוגמאות בעולם האמיתי של השפלה, ואסטרטגיות נוכחיות כדי להפחית את ההשפעות הללו.עד הסוף, הקורא יהיה הבנה מפורטת, מעשית של מדוע אפסית משנה עבור מהנדסי דלק, מפעילי כור, ומנהלי פסולת.

תוצאות של Alpha Decay

Alphaדעון הוא מצב של פיזור רדיואקטיבי שבו גרעין אטומי לא יציב פולט חלקיקים אלפא - אשכול חזק של שני פרוטונים ושני נויטרונים זהים לגרעין של helium-4 גרעין. הפליטה מפחיתה את המספר האטומי (Z) על ידי שניים ומספר המסה (A) על ידי ארבעה, מה שממיר את האטומים לתוך בת nuclide עם תכונות שונות לחלוטין, לדוגמה אלפא-238 אנרגיה:2 של אורניום (אובטן) בתוספת חלקיקים (A) ופרק 2, כמו גם של חלקיקים) ופרק 2, כמו גם של אנרגיה אלפא-אובריקבון (A) על ידי ארבעה, כמו גם על ידי אורומטרום) על ידי ארבעה, כמו גם על ידי ארבעה, כמו גם על ידי ארבעה, 000 של חלקיקים (A) על ידי ארבעה, 000 של אנרגיה אלפא-אובטן (A) על ידי ארבעה, 000 אנרגיה אלפא-אוב) על ידי ארבעה, 000 של אורומטרהאנרגיה אלפא-אוב) על ידי ארבעה, 000, 000 של אורבן-אוב) על ידי ארבעה, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000 אנרגיה אלפא-אוב) על ידי ארבעה, 000, 000, 000 של פחמן (

234Th302,4He + EnergyFLT

Alpha דעיכה מתרחשת בעיקר באלמנטים כבדים (Z> 82 שבו כוח גרעיני חזק לא יכול לקשור כראוי את כל הניונקיונים נגד כוח coulomb כפייתי (Z) הסתברות פליטת אלפא תלויה במנהרה הקוונטית-מכנית של חלקיקי אלפא באמצעות מחסום פוטנציאלי של גרעין. מנגנון מנהרה זה מסביר מדוע מחצית החי של אלפא מתקלקלת משתנה במידה עצומה - ממיקרו-שנית למיליארדים ועד מיליארדי שנים - אפילו בין השאר, לבין 9 קווית חומר מוצק, הוא בדרך כלל, אשר הוא אפסי של חומר מוצק, בין אם הוא נוטה ל- 4 ליטרים, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, בין מספר עצום של חומר מוצק של חלקיקים, בין אם הוא בדרך כלל, לבין חלקיק של חומר מוצק של חומר מוצק של חומר מוצק של חומר מוצק של חומר קמצום, הוא בדרך כלל, בין אם הוא נוטה ל- 4 ליטרים, כלומר, בין אם הוא מספר עצום של חומר קמצום, בין אם הוא בדרך כלל, בין אם הוא מספר עצום של חומר קיאנטי- 4 ליטרים, בין אם הוא בדרך כלל, לבין חלקיק של חומר קינט.

מעבר לטרנספורמציה הבסיסית, דעיכה אלפא היא לעתים קרובות חלק מרשתות ריקבון מורכבות. אורניום-238, למשל, עובר 14 דעיכים מוצלחים - שמונה מהם פליטות אלפא - לפני שנגיע לעופרת יציבה -206.כל פליטת אלפא בשרשרת תורמת לנזק קרינה מצטבר וייצור גז בתוך הדלק.

מדוע אלפא Decay הוא בעיקר קידוד עבור דלקים גרעיניים

לא כל דעיכים רדיואקטיביים משפיעים על מבנה הדלק באופן שווה. Betaדע פליטת פליטת גזי אנרגיה יחסית קטנה לאירוע ובקושי גורמים לעקירות אטומיות.Alpha דעיכה, לעומת זאת, מספקת העברת אנרגיה ליניארית גבוהה (LET) לאורך מסלול קצר - בדרך כלל עשרות מיקרומטר בחומרי דלק צפופים.זה התמוטטות אנרגיה צפופה יוצרת גם קערה מקומית של עקירה אטומית, מהסת, מהסתה, מהת שוליים, אשר גורמת לפצעים של אטומיים, ונזקים של אטומיים, כמו גם ל- 70 ליטרים, ו-אובריקות, כמו כן, כמו כן, כמו כן, כמו גם לנפץ אנרגיה אטומיים של פסולת, ו-AOLV.

Alpha Decay בחומרי דלק גרעיני

דלקים גרעיניים מסחריים מבוססים על תחמוצות אורניום (UO2, U3O8), תחמוצות מעורבות (MOX, תערובת של UO2 ו-PuO2), ופחות נפוץ, דלקים המבוססים על thorium (ThO2) או ⁇ מתכתית (U-Zr, U-Zr), כל החומרים האלה מכילים איזוטופים העוברים בקצב של דעיכה משמעותית.

אורניום-238 ו-Uranium-235

אורניום -238, אשר מורכב יותר מ 99% אורניום טבעי, יש מחצית חיים של 4.47 מיליארד שנים ושפל רק על ידי פליטת אלפא, למרות הפעילות הספציפית שלה הוא נמוך, מסה של אורניום בתעשיית דלק פירושה כי ליבת כור עשויה להכיל מאות קילוגרמים של 238U, מייצרת מיליארדי דעיאקים לשנייה.

פלוטוניום Isotopes בדלק MOX

דלק תת-חמצני המכיל פלוטוניום דו-חמצני (PuO2) מציג סביבה אגרסיבית יותר של אלפא-decay. פלוטוניום-239 (חצי חיים 24110 שנים) ו פלוטוניום-240 (חצי חיים 6,560 שנים) הם גם פולטים עם הזמנות ספציפיות של גודל גבוה יותר מ-238.מ.מ.מ.מ.מ.מ.מ.מ.א.מ.מ.מ.מ.מ.מ.מ.מ.א.מ.מ.מ.מ.מ.מ.מ.מ.מ.מ.מ.מ.מ.מ.מ.מ.מ.מ.מ.מ.מ.מ.מ.א.מ.מ.מ.מ.מ.מ.מ.מ.מ.מ.מ.מ.מ.מ.מ.מ.מ.מ.מ.מ.מ.מ.מ.מ.מ.מ.מ.מ.מ.מ.מ.מ.מ.מ.מ.מ.מ.מ.מ.מ.מ.מ.מ.מ.מ.מ.מ.מ.מ.מ.מ.מ.

תוריום-232 ו-Thorium Fuel Cycle

תוריום-232, איזוטופ הפורייה בדלקים המבוססים על תאוריום, יש מחצית חיים של 14.05 מיליארד שנים, וגם דעיכה על ידי פליטת אלפא. בעוד דלקים ימיים מייצרים כמויות נמוכות משמעותית של פסולת טרנסאוריטנית בהשוואה לתרחישים המבוססים על אורניום, נזקי אלפא-decay מ- thorium עצמם וממוצרי הבת שלה - כולל נפיחות רדיואקטיבית 228, , דו-חמצני, ו-2K2, עדיין יכולים להמיסד-אומטרד-אומטרד-אומטרון-2, אך עדיין להמיסד-אומטריום-אומטרהטווח גבוה יותר מאשר תקופות ארוכות יותר מאשר בטווח הארוך יותר מאשר דלקת ריאות-אומטיל-אומטיל-אומטי יותר מאשר בטווח הארוך יותר מאשר דלקתיטיס (אומטילוקס) גבוה יותר מאשר בטווח הארוך (אומטרון-אומטיל-חמצני (אומטי) גבוה יותר מאשר בטווח הארוך יותר מאשר בטווח הארוך יותר מאשר בטווח הארוך יותר מאשר בטווח הארוך יותר מאשר בטווח הארוך יותר מאשר דלקתי תיבות של דלקת ריאות-אומטי).

מכניזם של נזקי סטריקטל מ-Alpha Decay

אלפא מתפוררת דלק גרעיני באמצעות כמה מנגנונים הקשורים זה לזה אינם עצמאיים; הם לעתים קרובות משלבים לייצר שינויים מקרוסקופיים בגיאומטריה דלק, מוליכות תרמית וכוח מכני.

שיבוש אטומי ו- Cascade

כאשר חלקיק אלפא נוסע דרך הליטקטיבית של הדלק, הוא מאבד אנרגיה בעיקר באמצעות צבירת אלקטרונית ו כריתת יון, אבל זה גם מייצר התנגשויות ישירות עם אטומי ליטיצ'ה.ההתנגשות האלה מנוקשות מהאתר שלהם, ויוצרות זוגות Frenkel (a vacancy and a interstitial) כמו אזורי אלפא-האנרגיה הגבוהה ביותר של חלקיקים מאפשרת לנוע רחוק יחסית - בדרך כלל 10-30 מטר רבועים ב-O2, לעצור את התפזרומים אלה רק כדי להפחית את היבשה, אך ורק ל- 10 קדמיון קצר יותר, אך ורק ל- 10 קדמיון ארוך טווח מוגבל של אטומים, אך ורק ל-עשר חודשים (אך) עם אטומים) עם אטומים ארוך יותר, אך ורק ל- 10 קדמיון עמוק יותר, 000 אטומים ארוך טווח מוגבל מאוד).

הנזק הוא לכמת ביחידות של עקירה לאטומים (דפא) בדלק טיפוסי של PWR בשחרור, ה-Apha המושרה אלפא-decay עשוי להיות על סדר של 0.1-0.5, בהתאם להעשרה ולשרוף. בעוד זה נמוך יותר מהדפה מדלקת נויטרון (שיכול להגיע 10–30 dpa), הנזק האפאפאפאדה הוא מקומי יותר וניתן לפעול נרחב יותר עבור אתרי חנק.

דור הבול ותצורת בועות

כל דעיכה אלפא מייצרת אטום כבד - שני אלקטרונים ללכוד את חלקיקי אלפא כדי ליצור נייטרלי הוא. כי הליום הוא insoluble במריצה הדלק, זה נוטה להסתער לתוך בועות גז, או בתוך דגנים (intragranular) או לאורך גבולות דגנים (intergranular דלק) או עלייה בנפח של גז helium יוצר לחץ פנימי שיכול לגרום לנפיחות, מיקרוגרם, בעיקר היווצרות של דלקת ריאות (דלקתיים) או ליתר דיוק, שבו הוא יכול להיות מחובר יותר של דלק זעיר (דלקת) או יותר).

בשורות גבוהות מאוד, בועות הליום יכולות לזרום לתוך חללים גדולים יותר, להפחית את מוליכות תרמית ולהגביר את הטמפרטורה המרכזית של הדלק.ה משוב תרמי זה עוד מאיץ את תהליכי דיפוזיה ו- Craring, שעלול להוביל לאינטראקציה מכנית ממוקדת דלק (PCMI). סקירה מקיפה של השפעות הליום בדלקים חד-חמצני זמינה מה-FLT:0 World AssociationFreaciod גרעיני 1:1.

שינויים שלב ותיקון

בחלק מחומרי דלק, במיוחד אלה עם מבנים גבישיים מורכבים או המכילים אקטיניים גבוהים יותר, אלפא דעיכה יכול לגרום לאובדן חלקי או מלא של סדר לטווח ארוך - תהליך שנקרא amorphization. Metamict מינרלים בטבע, כגון zircon (ZrSiO4), ידועים להיות amorphous לאחר פגיעה אלפא-decdecdecphate לאורך זמן גיאולוגי.

חוסר יכולת ועקשנות ממדית

ההשפעות המשולבות של עקירה אטומית, היווצרות בועות הליום, ושינויים שלב מובילים לנפיחות כוללת של דלק.ב-O2, נפיחות הנגרמת אלפא-decay בדרך כלל על מנת של 0.5–2% בשריפה גבוהה, אבל זה יכול להיות הרבה יותר גדול בדלקים של MOX או דלקים המכילים actinoling הוא נפיחות טרופית בכמה צורות דלק; לדוגמה מתכתי, לעתים קרובות להציג דלק סטרוטרופי כדי למנוע את הלחץ.

מחקרים אמיתיים

UO2 דלק ב Light Water Reactors

דלק LWR מסחרי (UO2 pellets clad בז'ירקלוי) נחקר באופן נרחב על השפעות אלפא-decay. Post-irradiation (PIE) של מוטות דלק בילו באופן עקבי מגלה אזור צפוף, עדין עדין על ידי הסרת rim - מבנה גבוה של דלק - שבו נזק אלפא-ay מ pium לבנות (up238 תכונות גבוהות יותר של לכידת HBS) הוא בעיקר ירידה גבוהה יותר של שפעת גז.

ביצועי דלק MOX

דלק MOX משמש כורים מסחריים בצרפת, יפן, ובמקומות אחרים במשך עשרות שנים.פי נתונים מצביעים על כך ש-MOX pellets לפתח בועות גדולות יותר ויותר רבות של הליום בהשוואה ל- UO2 בשריפה שווה ערך, במיוחד באזורים עם תוכן פלוטוניום גבוה. נפיחות המושרה על ידי הליום אחראית חלקית לקצב גבוה יותר של גז גז ספוגה לטיפול זה, מעצבים של דלקים כגון חומצה פוליומית (OCluton) שיפור גודל של חומצה מקומית של חומצה פוליומית (O2) כדי לשפר את גודל של חומצה פוליאוקס) חום של נפיחות מוגברת של נפיחות (OClutonum) ולהפחית את גודל של נפיחות מוגברת של חומצה פוליומית של חומצה פוליאוקס) כדי לשפר את גודל של חומצה פוליאוקס) הוא אחראי חלקית אחראי חלקית אחראי חלקית אחראי חלקית עבור שיעורי גז גבוהה יותר גבוה יותר של גז גבוהה יותר של גז גבוהה יותר של גז גבוהה יותר של גז גבוהה יותר של גז גבוה יותר של גז גבוה יותר של גז גבוה יותר של גז נפיחות של גז גבוה יותר גבוה יותר גבוה יותר של גז נפיחות של גז נפיחות של גז סגסוגת של גז נפיחות של גז נפיחות של דלק נפיחות של גז סגסוגת של גז סגסוגת של דלק

אסטרטגיות מייגציה: מחומרים מדע ועד עיצוב הנדסי

מניעת נזקי אלפא-decay לחלוטין בלתי אפשרי, אך ניתן לנהל את השפעותיו באמצעות שילוב של בחירה חומרית, טכניקות ייצור ומגבלות תפעוליות.

הנדסת דלק והנדסת מיקרו-מבנה

בחירת דלקים עם סובלנות קרינה גבוהה יותר היא גישה אחת.לדוגמה, thorium דו חמצני מציג התנגדות גדולה יותר לזיכרון מאשר UO2 תחת ההפצצות אלפא, חלקית בשל התנהגות תרמית גבוהה יותר שלה מבנה פלואוריט חזק יותר. in in in inert matrix דלקs (IMF), חומר פיסולי הוא מלוטש בדלקת יציבה, לא מפרטריקסציה כגון ספין-אובייט (Obt) או בועות שחורות) או סגסוגת Cgate (IZ2Z2Gate) עדיף סגסוגת CRAD2Z) או יותר של חומצה) סגסוגת CRAD2Z2Z2Z2Z2D2 סגסוגת יותר של שפעת (IZ) עדיף סגסוגת cissile) עדיף סגסוגת יותר של שפעת cissile) או יותר של שפעת cissileineronia טובה יותר (IZ2D2D2D2D2D2D2D) הוא מטבולית (IGate יותר, הוא מטבולית (IZ2D2D2D2D2, הוא מלוטפתן (IZ2, הוא מלוטדת סגסוגת יותר של שפעת affiatra סגסוגת יותר, 000) הוא מלוט

תכונות עיצוב דלק

תכונות גיאומטריות כגון אגן קרקעי, מוטות דלק חלוקות, או מטרות מאוישות יכולות להכיל נפיחות ולהפחית מתח מכני על קלדינג.בכורים מהירים, דלקים מעוצבים לעתים קרובות עם נתיבי שחרור שלplenum מרכזי או גז המאפשרים לויטום לברוח מעמודת הדלק, מזרזים את ייצור הלחץ הפנימי.

מדדים תפעוליים

הגבלת שריפת שיא ושמירה על קצבי חימום ליניאריים מתאימים יכול להפחית את המינון אלפא המצטבר ואת כוח הנהיגה התרמית עבור helium diffusion וגידול בועות. המורחבת פעמים ב כוח נמוך, כמו בביצוע פעולות, יש להעריך בזהירות את ההשפעה שלהם על נזק אלפא-dec בהשוואה לעומס בסיס-עומס. כמה עיצובים מתקדמים משלבים מחזורי נשימה תקופתיים כדי לאפשר לולאום להתפוגגות של הגישה הניסויית של דלק זה עדיין נזק.

כיוונים עתידיים למחקר

הפיתוח המתמשך של דלקים סובלניים לתאונה (ATF) ומושגים מתקדמים של כור - כגון כורים מהירים, כור מלח מלוטנים, וכורים עתירי זמן גבוהים מאוד - דורש הבנה עמוקה יותר של השפעות אלפא-decay תחת מגוון רחב יותר של תנאים.

  • (FLT:0) Multi-scale Modeling:FreaLT:1) שילוב חישובים של Initio, דינמיקות מולקולריות, וסימולציות של שלב שדה כדי לחזות אבולוציה של בועות הבועות הכבדות ונזק הצטברות מאטומים למאזניים הנדסיים.
  • מחקר:0 (Irradiation: FLT:1hiling accelerators and Nutron Spallation מקורות כדי לשחזר את הנזק של אלפא-decay בחומרי דלק מועמדים מהר יותר וחסכוני מאשר בבדיקות אנלוגיות.
  • (FLT:0Waste shapeעמידות: FLT:1) עבור דלקים המיועדים להגדרה ישירה, הבנה כיצד נזקי אלפא-decay משפיעים על ההתנגדות לטווח ארוך, במיוחד בנוכחות מי הקרקע, חיוני לפיתוח תיק בטיחות.
  • מחזורי דלק חלופיים:0 (Alternative דלק: FLT:103) מחזור thorium-uranium ודלקים קטנים של אקטינזה טרנסמוטציה דורשים מחקרים ייעודיים של ההשפעה של אלפא-decay, שכן הם כרוכים איזוטופים עם מעט מאוד קצר למחצה ופעילויות ספציפיות.

מסקנה

Alphaדעון הוא תהליך בסיסי השולט ישירות על היציבות המבנית של רכיבי דלק גרעיניים.ממעגלות לעקירה בקנה מידה אטומית לנפיחות מאקרוסקופית ושחרור גז, ההשפעות של פליטת אלפא חודרות כל רמה של ביצועי דלק.בעוד עשרות שנים של ניסיון מבצעי עם דלק UO2 יצרו אסטרטגיות הפחתה חזקות, דחיפה לעבר כוויות גבוהות יותר, מחזורי דלק חדשניים ודלק דורשות מתמשכים של הבנה גרעינית, כדי להבטיח את החומרים הטכניים בטוחים, ומציאותיים, אשר יהיו מסוגלים להבטיח את החומרים הטכניים, אשר יהיו בטוחים, וחיזוי, עיצוב גרעיניים, וטכנולוגיית כוח, אשר יהיו קיימים, אשר יהיו קיימים, אשר יהיו קיימים, אשר יהיו מעבר למזגו, אשר יהיו מסוגלים להבטיח את תהליכי ייצור, אשר יהיו בטוחים, אשר יהיו קיימים, וטכנולוגיית דלק, כדי להבטיח את תהליכי ייצור, על ידי פיתוח אנרגיה, וטכנולוגיית כוח, אשר יהיו בטוחים, אשר יהיו מסוגלים להבטיח את תהליכי ייצור, אשר יהיו קיימים, אשר יהיו קיימים, אשר יהיו קיימים, אשר יהיו קיימים, אשר יהיו קיימים, על ידי חומרים טכנולוגיים, אשר יהיו קיימים, אשר יהיו קיימים, אשר יהיו קיימים, על ידי תכנון גרעיני, אשר יהיו קיימים, על ידי פיתוח אנרגיה, על ידי פיתוח אנרגיה, אשר יהיו קיימים