מגיבים מים דחופים (PWRs) יוצרים את עמוד השדרה של הדור הגרעיני העולמי, המייצג את רוב הכורים בפעולה ברחבי העולם.הטמפרטורות והלחצים הקיצוניים בתוך PWR - בדרך כלל סביב 325 ° C (617°F) ו- 155 בר - חומרים הדורשים לא רק חומרים עמידים נגד אובדן צמר, אלא גם מגן מפני קרינת נויטרון וגמא, תוך שמירה על שלמות מבנית תחת התחממות אינטנסיבית של פתרונות כגון סוללות מתקדמות, כמו גם על יעילותם, כגון, כגון, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000 יעיל, 000 יעיל של חומרים מתקדמים, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000 יעיל של חומרים מתקדמים, 000, 000, 000, 000, 000, 000 יעיל של חומרים מתקדמים, 000 יעיל של חומרים מתקדמים, 000 יעיל של חומרים מתקדמים, 000, 000, 000 יעיל של חומרים מתקדמים, 000 יעיל של חומרים מתקדמים, 000 יעיל של חומרים מתקדמים, 000 יעיל של חומרים מתקדמים, 000, 000, 000 יעיל של חומרים מתקדמים, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000 יעיל, 000 יעיל של חומרים

התפקיד הקריטי של Insulation in Pressurized Water Reactors

בפארס, הלולאה הקרנית העיקרית מפיצה מים בלחץ גבוה כדי לדכא את הרתיחה, העברת חום מהמרכז הכור לגנרטורים אדים. בידוד תרמי יעיל סביב כלי הכור, פישוט ראשוני, ומבנים המכיליםים אינם רק על שימור אנרגיה - זה פונקציה קריטית בטיחותית.

  • (FLT:0) ⁇ sFLT:1 , כדי למנוע מתח תרמי על כלי פלדה וקירות המכילות בטון, להפחית את הסיכון של סדקים במשך עשרות שנים של פעולה.
  • (ב) ,0) צמצום חום אובדן חום (FLT) 1:1 לאטמוספירה המכילה, אשר מסייע לשלוט בטמפרטורה מכוננת ומפחית את העומס על מערכות קירור.
  • (ב) קרינת קרינת הרנטגן (FLT:103) חומרים רבים של בידוד תרמי משמשים גם כמגן ביולוגי, גידול קרני גמא ו נייטרונים שנמלטים מהאלבה.
  • (ב) ,0) , הידרדרות ⁇ 1:1 מ ⁇ ניטרון, חימום גמא, לחות והתקפה כימית (למשל, חומצה בורית מן הדלפות קרירות).
  • (ב) ,0) ,העברה של כפל 1 על ידי מתן אפשרות להורדת קל יותר וצמצום כמויות הפסולת הרדיואקטיביות.

ועדת הפיקוח הגרעיני של ארה"ב (NRC) הדגישה כי ההידרדרות ב בידוד היא בעיה חוזרת בהזדקנות PWRs, מה שהופך חדשנות חומרית לעדיפות גבוהה עבור הרגולטורים בתעשייה ומפעילים כאחד.

חומרים מוקדמים ומגבלותיהם

אינסטלטורים קונבנציונליים המשמשים PWRs כוללים סידן סיליקט, סיבים מינרלים צמר הזדונות, ושמיכות סיבירי קרמיקה. בעוד חומרים אלה מציעים התנגדות תרמית סבירה ועלות מתונה, הם סובלים ממספר חסרונות:

  • Calcium silicate נוטה לספוג לחות, לאבד ביצועים מסולקים ולקדם קורוזיה תחת בידוד (CUI), בעיה גדולה במערכות משניות PWR.
  • צמר מינרלי מדחוס לאורך זמן, יצירת פערים המאפשרים עקף חום כתמים חמים מקומיים.
  • סיבים סרמיים יכולים לשחרר פיראטיות חלקיקים באוויר כאשר הם מוטרדים, מעוררים סכנות נשימות במהלך תחזוקה.
  • אף אחד מהחומרים הללו אינו מספק קרינה משמעותית המגן מעבר למסה שלהם – הם בעיקר אינסולטורים תרמיים, לא הגנה דו-תכליתית.

הכונן להחליף חומרים מורשת אלה נובע הן מגורמים בטיחותיים וכלכליים.כשל יחיד CUI בצנרת קירור כורר יכול לעלות מיליונים לתיקון ודור אבוד.הבזיוף הדור הבא חייב להיות חזק, קל משקל ורב-תפקוד.

בידוד מבוסס Aerogel עבור High-Performance PWR Containment

מדוע Silica Aerogels Excel בסביבה גרעינית

סיביקה aerogels הם חומרים ננו- ⁇ המורכבים מ-99.8% אוויר, עם השלד סיליק מוצק.הם מציגים את מוליכות תרמית הנמוכה ביותר של כל חומר ידוע מוצק - לעתים קרובות מתחת 15 mW / (mK) בלחץ מתחרה.עבור יישומים PWR, התנהגות אולטרה-נמוכה זו פירושה כי שכבות דקות של aerogel יכולות להשיג את אותה התנגדות תרמית כמו כמה סנטימטרים של בידוד מסורתי, מכילים מבנים צפופים.

יתר על כן, אריקס אנגליל הם לא חדיר והם יכולים לפעול באופן רציף בטמפרטורות עד 650 מעלות צלזיוס, הרבה מעל טמפרטורות המערכת העיקריות PWR.מבנה הננו- ⁇ הפתוח שלהם מספק גם תנופה יעילה, צמצום רעש ממשאבות ושסתום. Crucially, aerogels הם הידרופובית - הם דוחים לחות, אשר כמעט מבטלים את הבעיה CUI.

קרינה מגן ו Aerogel Composites

אריגלי אריקה טהורים יש אלמנטים מספר אטומי נמוך ולכן גלמה נמוכה לעצור את הכוח.עם זאת, החוקרים פיתחו את ה-FLT:0doped aerogel מורכבsFLT:1 אשר משלב אלמנטים של גבוה-Z כגון tungsten, bismuth, או להוביל תחמוצת חמצני לתוך ה- silica matrix. אלה משלבים את התרמית של גל עם גל עם גל משופר עם מטריה של גלקסיות מופחתת ב-אוקומה נמוכה יותר ב-אומטרה הראות הפחתת טמפרטורות נמוכות ב-אוקומה ה-אוקסמה הראות ה-אוקסומה ב רידג'ל הפחתת רידג'ל הפחתת רידג'ל ב רידג'ל הפחתת רידג'ל ב רידג'ל הפחתת רידג'ל הפחתת רידג'ל ה- 40.

מגן נויטרון יכול להיות משופר על ידי הוספת לכידת בורון (B4C) או בורון nitride nanoparticles. Boron יש שטח צלב גבוה עבור לכידת נויטרונים תרמי, לייצר רק קרני גמא אנרגיה נמוכה כי הם בקלות מוגן על ידי דופי Zpants גבוה. לכן, פאנל אחד aggel מורכב יכול לשמש תרמיים inulator, gamma, ו-Nemtfunctional סופג חומר.

התקנה ויציבות ב PWRs

בידוד Aerogel מסופק בדרך כלל כמו שמיכה גמישה (aerogel ממוזג לתוך סיבים) או לוחות קשיחים. עבור PWR מכילות, שמיכה גמישה הם העדיפו כי הם יכולים להתאים צינורות מורכבים גיאוגרפיים צינורות, נואזלים כלי, משטחים לא סדירים. כי ששמיכות אלה הם הידרופובי, הידרופובי, עמידים לטעון תרמיים מסחריים מסוימים, כגון אספן של אוויר, הם כבר מכילים כוח גרעיני נוסף, אבל משמש עבור מתקני רנטגן נוספים, אבל הם כבר בשימוש על ידי חשמל זורמים אחוריים, אבל הם כבר בשימוש על ידי חשמל מבוזרים נוספים.

הסוכנות הבינלאומית לאנרגיה אטומית (IAEA) פרסמה דוחות טכניים על השימוש ב בידוד אווירוגל בעיצובים מתקדמים של כור, וציין כי בדיקות ההזדקנות מואצות ב-300 מעלות צלזיוס במשך 5000 שעות הראו פחות מ-5% ירידה בביצועים תרמיים.עם צ'קטים מתאימים, שמיכה אירובית יכולה להימשך את כל 40-60 השנה של חיי עיצוב PWR ללא תחליף.

חומרים מתקדמים ל Insulation ו- Shielding

Polymer-Matrix Composites with Ceramic Fillers

חומרים Composite עשויים פולימרים עתירי זמן גבוהה (כגון פולימידיד או PEEK) מלא microspheres קרמיקה או שרוקנים קרמיקה מציעים מסלול מבטיח שני. אלה הם קל משקל, קורוזיה עמיד, וניתן לעצב לתוך צורות מורכבות עבור חדירה המכילה, מגשים כבלים וציוד תומך.

לדוגמה, (FLT:0)boron nitride מלא תרכובות פולימריד 1FLT מציג התנהגות תרמית כי הם טוטלי בין 0.5 ל 2.0 W / mK) - גבוה יותר מאשר aerogel אבל עדיין מצוין עבור בידוד - בעת מתן לכידת נויטרונים.החומר נשאר יציב עד 400 מעלות צלזיוס ויכול לעמוד gamma מעל 107 מינונים, נפוץ באזורים PW מכיל אזורי PWR.

Metal Matrix Composites for Extreme Conditions

באזורים הקרובים מאוד לליבת הכור, כגון חבית הליבה ובתוך כלי הכור, הטמפרטורות וערפילית פלוקסים הם הגבוהים ביותר. There,FLT:0aluminum מבוסס מתכת מקרטלים מתכתיים המבוססים על LT:1 (MMCs) מתחזקים עם חלקיקים תחזוקה סיליקון (SiC) או סיבים רצופים הם צוברים עניין.

התפתחות בולטת היא השימוש בדלק סובלני:0 (SiC/SiC קרמיקה ממטריקס מורכב sph 1 (CMCs) עבור חיפוי דלק סובלני תאונות - אותה מחלקה חומרית נחקרת כעת על בידוד ומגן חום ב PWRs. SiC/SiC שומרת על כוח עד 1500 מעלות צלזיוס ושומרת על רדיואקטיביות נמוכה, מה שהופך אותו למושך עבור פונקציות מבניות וכוללות.

פאנלים היברידיים

פתרונות מסחריים כגון:0 (InsulShieldveFLT:1) (מערכת שכבתית של שמיכה אירובית, גיליון פולימרי מועתע ברון, וסולם מוביל דק) נבדקים לשימוש בכורי מים מחוונים. לוחות אלה משלבים את הביצועים התרמית של אווירול עם מחסומים ייעודיים ו gamma, הכל אטום בתוך נירוסטה או אלומיניום מאפשר בדיקה תקופתית עבור צינורות קלים, אשר ניתן להסיר את ההחלפה ללא שינוי מחזורית, ומחזור קל של צינורות קל, ללא ניתוח מחזורי, אשר ניתן להרוס את ההחלפה ללא ניתוח מחזורי של צינורות קל.

מכון המחקר של חשמל כוח (EPRI) ביצע ניסויים בשטח של לוחות היברידיים בשתי חטיבות U.S. PWRs, שדיווח על ירידה של 20-30% באובדן חום בהשוואה לדלקת צמר מינרלית קונבנציונלית, ללא עלייה משמעותית במינון העובד במהלך ההתקנה.

יתרונות של Insulation חומרים חדשניים על פתרונות מסורתיים

אבטחה מוגברת באמצעות קרינת קרינה גבוהה

אינסטלטורים מסורתיים, בעיקר חומרים של פיברטוס נמוך, לתרום מעט להגנה על קרינה.בניגוד, תרכובות אווירול ו MMCs ניתן להנדס כדי להיות יעיל יעיל של חסכוניים עבור הן gamma וקרינת נויטרונים.להפחתת שדה הקרינה בתוך מכיל באופן ישיר חשיפה לכיבוש לעובדים תחזוקה, תמיכה ב- ALARA של התעשייה (כדוגמא נמוכה של מינרלים) עם רמת עבודה של חומר קיגל.

שיפור ניהול התרמום והיעילות

PWRs פועלים עם יעילות תרמית של כ-33-34% (תפוקה חשמלית של רשת המחולקת על ידי כוח תרמי) אובדן במערכת העיקרית בשל בידוד לא מושלם של יעילות זו.חומרים מתקדמים עם מוליכות תרמיות מתחת 20 mW / (mK) יכול לקצץ הפסדי חום פרציטיים עד 50%, מתורגם לרווח של 0.2% באופן כללי יעילות צמחית מתחת ל -40 שנה, כי יכול להיות רווחי של אנרגיה בשווי של מיליוני דולרים.

אפשרויות ל-Rovertal Durability and Deced Corrosion

קורוזיה תחת בידוד היא הנהג הגדול ביותר של תיקונים צינורות בצמחים גרעיניים.חומרים חדשניים כגון אווירוגליל ותרכובות הידרופוביות אינם מים זורמים והם אינם אינפורמטיביים לחומצה בוריקית ולמתח chloride קורוזיה.הם גם מתנגדים להזדקנות תחת גלימה - בניגוד סיבים אורגניים שמצטברים לאורך זמן.

ניכוי משקל וסימולציה סטרקטיבית

שמיכות Aerogel יש צפיפות גדולה של 0.12-0.15 g /cm3, בהשוואה ל-0.0.4 גרם / 3 ס"מ עבור צמר מינרלים ו 0.25 g / ס"מ עבור סידן לילאות קירור גדול, חיסכון במשקל הכולל יכול להיות משמעותי (several 100 ק"ג), הקטנת העומס על תלים ותומכת.

לימודי מקרים ודרכי התפטרות

תחנת ייצור גרעינית של Palo Verde

בשנת 2022, צמח פאלו ורדה באריזונה ניתח מערכת בידוד של אחליקה על קווי הקיטור העיקריים בתוך המכילה.התקנה הושלמה במהלך ניתוח של תדלוק שגרתי, והצמח דיווח על ירידה של 28% בהפסדים חום וירידה של 15% בטמפרטורה בתוך המשקעים במהלך פעולת כוח מלא.

ועדת הפיקוח הגרעיני של ארה"ב עדיין לא פרסמה הערכה כללית לבטיחות גנרית לדלקת אווירול בכילה ראשונית, אך אישורים ספציפיים לאתר ניתנות.הסטנדרט בתעשייה IEEE 383 (הפצה ופליטת עשן) נדרשים בדרך כלל, אשר מוצרי אווירגל עוברים עם שולי.

גישה אירופית: משוגרים פולימר Composites

מפעילי אירופה, בעיקר EDF בצרפת, הם בדיקות:0;0) מסובבים פוליאתילן מרוכבים פירטפל 1 כמגן תרמי / טון כפול עבור ראשי כלי שיט הכור.חומרים אלה שימשו במשך עשרות שנים באחסון דלק מושקע, אך ניסוחים חדשים עם יציבות תרמית גבוהה יותר מאפשרים להם לשמש ישירות על פני השטח הראשוניים.

פרספקטיבה עתידית: חומרים רב-תפקודיים וחכמים

העשור הבא צפוי לראות את הופעתה של חומרים פונקציונליים:0 (multifunctional Materialsal MaterialsFLT:1) המשלב בידוד תרמי, קרינה מגן, עומס מבני, ואפילו חישה יכולות לתוך מערכת אחת. לדוגמה, חוקרים באוניברסיטת טוקיו מפתחים לוחות גל משובצים עם חיישנים מבוזרים אופטיים המנטרים טמפרטורה ובזמן אמת, להאכיל נתונים לתאומים דיגיטליים כגון "חמיצים" לפני נחיתות חמות יכולות להתרחש.

(FLT:0)Nanostructured חומרים מעוקלים 1 (FLT:1) - כגון גרפן תחמוצת אקרגלי או MXene מורכב - הם גם תחת חקירה לשימוש PWR. אזור פני השטח הגבוה ביותר שלהם מאפשר שילוב יעיל של חלקיקים Nutron-absorbing חלקיקים, ואת הגמישות המכנית שלהם הופך אותם מתאימים לעטוף גיאוגרפית מורכבת.

בנוסף, דחיפה לעבר כורים מודולריים קטנים (SMRs) ומיקרולוגיים יוצרת הזדמנויות חדשות ל בידוד מתקדם. SMRs לעתים קרובות דורש הגנה קומפקטית, קל משקל שמתאימה בתוך מודולים הניתנים להובלתם.

הגופים הרגולטוריים מתחילים לפתח הדרכה גנרית לחומרי בידוד מתקדמים.קבוצת העבודה הטכנית של סבא"א על חומרי תגובה גרעיניים ביססה מסגרת להעפיל אווירולים ומורכבים לשימוש במערכת ראשונית, תוך התמקדות בבדיקת אי-ההההההבחנה, התנגדות אש והזדקנות ארוכת טווח.

מסקנה

האבולוציה של בידוד תרמי עבור PWR מכילות ומגן עובר מן חומרים חד-תכליתיים, ביצועים נמוכים לפתרונות מהונדסים בו-זמנית לטפל בניהול חום, הגנה קרינה, עמידות, ומשקל. בידוד מבוסס Aerogel נעשה עם גבוה-Z ו-Boron-bearing nanoparticles מובילים את המטען, עם תרכובות מורכבות המציעות מותאמות לרכיבים ספציפיים פריסות שדה בפאלו כמו חומרים אלה הם פשוט לא מספקים שיפורי בטיחות אמיתי.

ככל שהצי הגרעיני העולמי מזדמן ופרויקטים חדשים של בנייה מאיצים, אימוץ חומרי בידוד חדשניים יהיה קריטי לשמור על סטנדרטים גבוהים של בטיחות וכדאיות כלכלית.שילוב של ננוטכנולוגיה, ייצור מתקדם, ובדיקה קפדנית מייצרת מעמד חדש של חומרים שיגדירו את הדור הבא של עיצוב ה-PWR.