דלקים סובלניים (ATFs) מייצגים את אחד השינויים המדעיים החומריים המשמעותיים ביותר בדור כוח גרעיני מאז הקמת התעשייה.דלקים אלה מונדסים לעמוד בתנאי תאונה קיצוניים הרבה יותר מאשר דו-חמצני קונבנציונלי (UO2) pellets קלד ב ⁇ zirconium. על ידי עיכוב של דלק ודור מימן, ATFs קונה זמן יקר עבור מערכות חירום לפעול הנדסה מאחורי הציפוי חמצון מתקדם, אפילו שיפור תרכובות דלק או חומרים מתקדמים, תוך שיפור חומרים מתקדמים, חומרים מתקדמים, תוך שיפור קרמיקה, תוך שיפור קרמיקה, או ייצור חומרים מתקדמים של חומרים מתקדמים של דלק, או ייצור חומרים מתקדמים של חומרים מתקדמים של חומרים מתקדמים של דלק.

הצורך בדלקים קטלניים

דלק גרעיני מסורתי מורכב מאגן אורניום דו-חמצני מטושטש בתוך צינורות ארוכים עשויים סגסוגת זירוקוניום (כגון Zircaloy-4 או ZIRLO) בתנאים רגילים, המערכת הזו מבצעת באופן אמין במשך שנים, עם זאת, במהלך אובדן של תאונה של אובדן של זיהום (LOCA) או תחנת Blackout, קליפות zirconiumad מגיבים באופן קיצוני עם טמפרטורות קיטור מעל מימן 1200CMA, אשר יכול להוביל באופן דרמטי להתפוצצות דלק כימי של דלק כימי, כמו טמפרטורות גבוהות יותר, כגון טמפרטורות גבוהות יותר, כגון טמפרטורות צלזיוס, כגון טמפרטורות גבוהות יותר, כגון טמפרטורות גבוהות יותר, 000.

מחלקת האנרגיה של ארה"ב השיקה את תוכנית ה-ITF בשנת 2012 במטרה לפתח דלקים שיכולים לשרוד תרחישים חמורים של תאונות במשך 30 דקות או יותר ללא נזק הליבה, בהשוואה לפרוטוקולים המעטים הקיימים עם עיצובים עכשוויים.חלון הישרדות נוסף זה מאפשר למפעילי הצמח לשחזר או להקטין את ההשלכות לפני שכישלון הדלק מתרחש.

עקרונות הנדסה של ATFs

דלקים סובלניים לתאונה דורשים גישה רב-מכוננת המתייחסת לשלושת המרכיבים העיקריים של הרכב דלק: הקלדה, האגן הדלק, ועיצוב ההרכבה הכולל.העיקרון המנחה הוא להחליף את החומר המקל לחלוטין או ליישם ציפויים מגן, תוך שינוי גם את הרכב הדלק כדי להגביר את ההתנהגויות התרמיות ואת נקודות ההמיסה.

  • (FLT:0) שיפור חומרים: ⁇ Replace או מעיל Zirconium ⁇ עם חומרים שיש להם נקודות נמסות גבוהות יותר, קינטיקה חמצון איטי יותר, ולהפחית את הדור מימן.
  • (FLT:0)Enhanced דלק: FLT:1 להשתמש תרכובות אורניום עם מוליכות תרמית גבוהה (silicide, nitride) או דלקים microencapsulated כי לשמור על מוצרי נפיחות טוב יותר בטמפרטורות גבוהות.
  • אינטגרציה בטיחותית:0 (FLT:1) מתכננת את הדלק להיות סלחני יותר על ידי הגדלת העברת חום וצמצום אנרגיה מאוחסנים, ומשלים מערכות בטיחות פסיביות בעיצובים מתקדמים של כור.

חומרים מתקדמים

קלדלינג הוא קו ההגנה הראשון נגד שחרור מוצר פשפשפש.מערכות חומר נחקרו.המועמדים המובילים נופלים לשלוש קטגוריות: ⁇ מבוסס ברזל, סיליקון carbide (SiC) ו- סגסוגת זירוקוניום מכוסה.כל גישה מאזן את הכלכלה נויטרון, כוח מכני, עמידות קורוזיה, ועלות.

ברזל-כרום-אלומה (FeCrAl) ⁇ , למשל, טופס סולם אלומיניום מוגן בטמפרטורות גבוהות כי חמצון הרבה יותר איטי מאשר zirconia.הם גם יש נקודה נמס גבוה יותר לייצר כמעט שום מימן.עם זאת, הם סופגים יותר נויטרונים תרמיים, כלומר ההעשרה חייבת להיות מוגברת במקצת כדי לפצות על עונש צנוע - כמעט ללא תוספת של 0.2.5% - ו-0.5% נחשב שיפור בטיחותי גדול.

מטריקס קרמיקה הסיליקון מורכב (SiC-SiC) מציעים כוח עתיר גבוה גדול והתנגדות חמצון, עם ייצור מימן אפסי למעשה סיC יש גם נקודה מאוד גבוהה להמיסה (כ 2800 מעלות צלזיוס) ושפל ספיגת נייר צלב עבור איזוטופים מסוימים.

ציפוי Zirconium coated חל שכבה דקה (10-100 מיקרומטר) של כרום או מתכת מגן אחר על צינורות Zircaloy סטנדרטיים. ציפוי זה מונע מגע קיטור בטמפרטורות עד 1400 מעלות צלזיוס, להאט באופן דרסטי את החמצן.מושגים קוונד הם ההשכים לפחות לקווי ייצור דלק הנוכחי והם כבר נבדקים בכורים מסחריים כמו מבחן מוביל כמו CHF (R).

ציוד דלק משופר

גם את ה-UO2 המסורתי יש מוליכות תרמית נמוכה (כ 3 W/mK בטמפרטורת הפעלה), אשר מוביל לטמפרטורות מרכז גבוהות ואנרגיה מאוחסנים.

Uranium silicide (U3Si2) יש בערך ארבע פעמים את מוליכות תרמית של UO2, צמצום טמפרטורות דלק על ידי כמה מאות מעלות תחת פעילות נורמלית.זה מוריד גז משקעים ומספק שולי גדול יותר להמיס. Uranium nitride (UN) מציע גם מוליכות תרמית גבוהה וצפיפות אורניום גבוה יותר, עם זאת, האו"ם יכול להיות פעיל עם מים ודורש טיפול זהיר או דורש טיפול קפדני באמצעות ציפוי או ציפוי.

דלק קרמיקה מלא (FCM) לוקח גישה שונה לחלוטין. הקרנלים של דלק (כמו חלקיקי TRISO) מפוזרים במריצה סיליקון פחמימות.הציפוי הבודדים פועלים ככלי לחץ, שמירה על מוצרי סדקים גם אם סדקים סביב ממטריקס. דלק FCM מבטיח במיוחד לתאונה כי כל חלקיק יכול לשרוד לטמפרטורות גבוהות מאוד (1600 מעלות צלזיוס) ללא רדיו.

טכנולוגיות מדע חומריות נהיגה בפיתוח ATF

תכנית ATF דחקה את גבולות המדע החומרי.חוקרים בודקים לא רק מדידות רכוש גדולות אלא גם אפקטים מיקרו-וריטוריים, נזקי הקרנה ואינטראקציות כימיות בתנאים חמורים.

סיליקון Carbide Cladding: ביצועים ואתגרים

ציפוי מבוסס SiC בדרך כלל משתמש שכבת שטח מורכבת מרובד: שכבה פנימית מונוליטית עבור הגמישות מוקפת סיבי סיזי סי סי סי סי סי סי סי סי סי סיי C מורכבים בשל תנאי הפעלה רגילים, SiC מראה עמידות קורוזיה מעולה למים עתירי זמן גבוהים. Oxidation ב 1200 מעלות צלזיוס הוא בערך שתי פקודות של גודל איטי יותר מאשר Ziroy. עם זאת, irration מעל 10 אפקטים מכניים אלה.

קישורים חיצוניים: סעיף 0 (תיקון:0) על סי"ק, בדיקה מקיפה של בדיקות סיג"ט:1.

Iron-Chromium-Aluminum (FeCrAl) Alloys

סגסוגת FeCrAl, כגון APMT ו- PM2000, כבר זמין מסחרית עבור יישומים עתירי זמן גבוהה אבל נדרש הסתגלות לשימוש גרעיני.השינוי המרכזי הוא צמצום התוכן כרום כדי למנוע sigma-phase brittlebribrittlement בעת שמירה על אפקט חמצון של אילינוי - במהלך LOCA, FeCAlrAlrAlrAlr יוצרת שכבת הגנה 2O3 אפילו ב-Crecidation, עם עלייה של מספר סגסוגת של 2, לעומת 2, לעומת 2, 000 גבוה יותר מאשר אפקט ניקוי גבוה יותר מאשר סגסוגת ccback).

Zirconium Cladding: A Near-Term Solution

עם שכבת סגסוגת זארוקוניום הקיימת עם שכבה דקה של כרום או מתכות אחרות עמידות חמצון מציעה נתיב זול יחסית לסובלנות תאונה משופרת. Chromium, בדרך כלל מופקד על ידי זיהום מימן פיזי (PVD) או ריסוס קר, הראו גם עמידות מעולה קורוזיה ושחיתות בתנאי קיטור נורמלי ותאונה.

הגישה נבדקה בכורות מחקר כגון ה-Haleden Reactor בנורווגיה ו- Advanced Test Reactor ב-Aido National Laboratory.com.com, מושגים מתקפלים הם מתקדמים ביותר מבין טכנולוגיות ATF, עם כמה ניגודים במבחן מובילים כבר בכורים מסחריים ברחבי ארה"ב ובאירופה.אימוץ של קלפטה מכוסה מכוסית יכול לקרות בתוך מחזור הדלק הנוכחי, מה שהופך אותו לטכנולוגיה עד חומרים מתקדמים יותר כמו סי.

דלק גבוה רגיש

Uranium silicide (U3Si2) קיבלה תשומת לב משמעותית כי זה יכול להיות מוטבע עם טכניקות מתכת פלוגורגיות קונבנציונליים.חומר יש נקודת התכה גבוהה (1665 ° C) ו מוליכות תרמית של 15 W / mK בטמפרטורת החדר, ירידה עד 10 W / mK בטמפרטורה הפעלה - עדיין שלוש פעמים של UO2 Ipiladiation הראה כי US3 מייצבים, 000, 000, 000, 000 נמוך יותר, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000 של בדיקות ⁇ , 000, 000 נפיחות, 000, 000 נפיחות, 000 ⁇ , 000, 000, 000 נפיחות, 000, 000, 000, 000, 000 נפיחות, 000 ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ .

Uranium nitride (UN) יש נקודת נמס גבוהה יותר (2850 מעלות צלזיוס) ו מוליכות תרמית (~20 W/mK) צפיפות האורניום הגבוהה שלה (14.3 גרם U / ס"מ3 לעומת 9.7 גרם U / CM3 עבור UO2) מאפשר לשרוף מורחבת.האתגר העיקרי הוא התגובה של האו"ם עם מים או קיטור, אשר יכול לייצר אמוניה ומימן.

תוצאות חיפוש ו- Qualification Challenges

מעבר מדגימות בקנה מידה מעבדה לכיסויי דלק בגודל מלא הפועלים בכור מסחרי דורש תוכנית הסמכה נרחבת.ועדת הפיקוח הגרעיני של ארה"ב (NRC) דורשת בדיקות בתנאי חלוף ותאונה נורמליים.

  • (FLT:0) נורמטיבי פעולה: 1.FLT:1 Irradiation to היעד לשרוף בכורים מחקר (למשל, ATR, Halden) ולאחר מכן בכורי חשמל כמו אסיפות מבחן מובילות. Cladding Cra, קורוזיה, שינויים ממדיים הם פיקוח על מחזורים מרובים.
  • (FLT:0) בדיקות טרנספורמטיביות: 1FLT) Reactivity-initiated תאונות (RIA) והפסד-of-coolantתאונות (LOCA) מאופיינות בשקיות מיוחדות כגון Transient Reactor Test Facility (TREAT) במעבדה הלאומית איידהו.
  • (FLT:0)Severe תאונת דרכים: 1.10.10.10.10.1.אפקטים נפרדים מודדים קינטיקה חמצון, דור מימן, התקדמות נמס ושחרור מוצר בטמפרטורות עד 2000 מעלות צלזיוס בבדיקות קיטור.Integral באמצעות מתקן המלכהנקי או מתקן קוריאק עזרה אימות מודלים.

התקדמות משמעותית נעשתה.לדוגמה, בשנת 2022, הודיעה Framatome כי מוטות המבחן הראשיות המצופה שלה השלימו שלושה מחזורים ושלושת זרמים מורחבים בתחנת ביירון ללא אינדיקציה לכישלון או התנהגות חריגה.

קישורים חיצוניים:0) מאמר האגודה הגרעינית האמריקנית על ATF בדיקות התקדמות FLT:1.

המדינה הנוכחית וכיוונים עתידיים

דלקים סובלניים של תאונות עברו ממחקר על פריסה.נכון ל-2025, מספר רב של כלי השימוש בארה"ב הכניסו את מבחן העופרת בכפיפות מכוסות או FeCrAl לדבקות בכורים התפעוליים.תוכנית ה-ATF של DOE שואפת לקבל ATFs זמין מסחרית עד סוף 2020 או בתחילת 2030s.

עלויות נשאר מחסום מפתח.חומרים מתקדמים של קליטה כמו סחבים SiC הם כיום יקר יותר מאשר Zircaloy. עם זאת, כלכלות של בקנה מידה ושיפורים בתהליכי הייצור (למשל, סיבים זולים יותר, קווי ציפוי אוטומטיים) צפויים להפחית עלויות באופן משמעותי.ה-NRC פועל על שינויים מסגרת הרישוי כדי לאפשר אימוץ מהיר של שינויים דלק אבולוציוניים ללא צורך 10 עד 15 שנה למאמץ מלא לכל וריטרינר.

מחקר עתידי צפוי להתמקד:

  • פיתוח ATFs מותאם לעיצובים עמידים לתאונות דרכים (ATFs אשר מפחיתים את ההשלכות גם אם הכשל).
  • שילוב ATFs עם כורים מודולריים קטנים (SMRs) ומושגים מתקדמים אחרים של כור התלויים על בטיחות פסיבית.
  • Exploring Machine Learning and Advancedסימולציה to expedite Materials תגליות חומריות וחיזוי התנהגות ב-reactor.

המטרה הסופית היא לא סוג דלק יחיד, אלא משפחה של דלקים המותאמים לעיצובים שונים של כור - כור מים מסחרי, SMRs ומערכות הדור הרביעי בעתיד.

מסקנה

ההנדסה מאחורי דלקים סובלניים לתאונה מייצגת שיפור מהותי בביטחון גרעיני.על ידי פיתוח חומרים מחוסנים המתנגדים לחמצן ולדור מימן בטמפרטורות קיצוניות, ועל ידי יצירת תרכובות דלק שעושות חום יעיל יותר, החוקרים יצרו מסלול לכורים שהינם הרבה יותר עמידים במהלך אירועים חמורים של התרחבות אנרגיה.שילוב של פתרונות לטווח קרוב כמו זקוריום ואפשרויות לטווח ארוך יותר כמו SiCDC מספק גישה בטוחה יותר לדלק גרעיני לטווח קצר יותר, כמו לצמצום של אנרגיה, כמו לטמפרטורה מסחרית של אנרגיה נמוכה של אנרגיה, כמו אספקת דלק גבוה יותר, כמו טמפרטורות מהירות גבוהה יותר, כמו אספקת דלק, כמו טמפרטורות מהירות גבוהה יותר, כמו אספקת דלק, כמו אספקת דלק, כמו טמפרטורות מהירות גבוהה יותר, כמו טמפרטורות מהירות גבוהה יותר, כמו אספקת דלק, כמו חסכוניות גבוהה יותר, כמו קיבולת גבוהה יותר, כמו קומפקטיות, כמו אספקת דלק, כמו אספקת דלק, כמו חסכוניות גבוהה יותר, כמו חסכונית דלק, כמו אספקת דלק, כמו קומפקטיות גבוהה יותר, כמו קיבולת נמוכה יותר, כמו קיבולת נמוכה יותר, כמו קיבולת נמוכה יותר, כמו קיבולת גבוהה יותר, כמו קומפקטיות גבוהה יותר, כמו קיבולת גבוהה יותר, כמו אספקת דלק

קישורים חיצוניים: (FLT:0) ,0) , עיין ב-ATFcioFLT:1.