Table of Contents

הקדמה: Fukushima Imperative for Advanced Materials

האירועים הקטסטרופליים ב-Fukushima Daiichi כוח גרעיני הצמח במרץ 2011 חשפו חולשות בסיסיות במגוון רחב של אסטרטגיות סטנדרטיות של כורים ותיקון. רעידת האדמה וצונאמינוני גרמו להתמוססות הליבה, פיצוצים מימן ותפוצה רדיואקטיבית נרחבת, ויצרו סביבה שבה שיטות תיקון מסורתיות – מיקום בולט, קירור חומרים ייחודיים, או חיבורים מתוחמים – הגיעו לגבולותיהם הגבוהים מנעו גישה אנושית ממושכת; מים ובודדים למכוניות מתקדמות, ללא צורך בניסוי גרעיני.

האסון והביקוש לפתרונות תיקון חדשניים

רעידת האדמה של 11 במארס גרמה נזק מבני מיידי למבנים הכור, אך הצונאמי שלאחר מכן היה הרסני יותר. יםווטר מוצף גנרטורים חירום, מה שגרם לתחנות דלק שחורות ואובדן של קירור ביחידות 1, 2, ו-3 מהתחממות יתר, מה שהוביל לצמצום הליבה ולבניית מימן.

סוגי חומרים מתקדמים ליישומים גרעיניים

מרוכבים מתקדמים לתיקון גרעיני בנויים על אותם עקרונות כמו אלה המשמשים בתחום התעופה או בתחום הרכב: סיבים בעלי ביצועים גבוהים משובצים במטריקס פולימרי שמעביר עומסים ומגן על סיבים מפני התקפה סביבתית.מה שממבדילה את המורכבים של רשתות גרעיניות הוא הברירה זהירה של מערכות רזין וסוגי סיבים לסובלנות קרינה, גזים נמוכים, והתנגדות ארוכת טווח ללחץ כימי ורחום.

Carbon סיבים Reinforced Polymers (CFRP)

• סיבים מחזקים פולימרים משלבים פיחות פחמן גבוהות (בדרך כלל 7-10 μm בקוטר) עם epoxy, vinyl ester, או cyanate ester resin. CFRPc מתגאה עוצמות משניות מעל 3,500 MPa ומודולולי מעל 230 GPa, מניבה נקודות חוזק ספציפיות בערך 10 פעמים של פלדה כמעט אפסית של ספירת מינרלים מינימליים של גלידות בינוניות (pic) הם 2600 גרם מוקדם יותר של תאים).

Glass Fiber Reinforced Polymers (GFRP)

GFRP משתמש בסיבים E-glass או S-glass (10-20 מיקרומטר) במריצה פולימרית, בדרך כלל פוליסטר, ויניל ester, או epoxy. בעוד שחוזקה הניתוק שלה נמוך יותר מ-FRP (כ-1,500 MPa), GFRP מציע אפקטים מצוינים על גבי גבי גבי גבי גביית גזים פגומים, עלייה נמוכה יותר, והתנגדות גבוהה יותר לסביבות גרעיניות, GFFRP נוטה ליישומים משניים לשימוש ברזולוציה גבוהה, מכיוון שניתן היה להשתמש ב-FRic CRP (מצטבר) באמצעות מפונקציה גבוהה יותר לצמצום של קרינה מופחתת (מפוספסת) באמצעות מפונקציה גבוהה יותר.

המונחים: aramid סיבים Composites

סיבים ארמידים, כגון Kevlar, יש כוח רב-קרקעי גבוה (כ 2,700 MPa) וקשידות יוצאת דופן, כלומר הם סופגים כמויות גדולות של אנרגיה לפני קרע.כובד שלהם (1.44) הוא נמוך מכוס (2.5) ופחמן (1.5), אבל הם גם פחית שלילית של התרחבות תרמית.

מערכות Composite Hybrid

אסטרטגיות תיקון רבות ב Fukushima היברידית שילבו סוגים שונים של סיבים לתוך אחד לייעל ביצועים.לדוגמה, בד היברידי עשוי להיות סיבים פחמן מוכווני 0 ° ו 90 מעלות עבור כוח אקסילי ו hoop, זכוכית ±45 מעלות עבור התנגדות זאר, ושכבה פני השטח של aramid עבור הגנה על עוביים.

יישומים ספציפיים של Composites in Fukushima Reactor תיקונים

השימוש בחומרים מורכבים בפוקושימה התפתח מתיקון חירום ועד שדרוגים מבניים מתוכננים.כל יישום דרש הנדסה זהירה כדי להסביר קרינה, טמפרטורה, לחות, ומגבלות נגישות.

המונחים: Vessel Reinforcement

לאחר הפיצוצים מימן, כלי ההכלה העיקריים (PCVs) של יחידות 1–3 נותרו שלמים אך נפגעו מבנית מתחנות הפלדה, נחלשו על ידי מחזורי אש ומחזורי תרמיים, וה בטון שמסביב נפגע על ידי הפיצוצים.כדי לשחזר את השלמות של המודלים של ארצות הברית, פועלים החלים שכבות מרובות של CFRP למשטחים שהועברו באמצעות הריסות.

בריכה ו-Seling

בריכות דלק Spent ב- Units 1-4 נדרשות הן חיזוק מבני והן ניטרון המגן על מנת לשמור על תת-ביקורתיות במהלך מסעות להסרת דלק. קוורי פלדה קונבנציונאליים היו מהדהדים בסביבת המים המבוצעת ודורשים כפל בתוך אזורי ריצוף גבוהים.במקום, מהנדסים מותקנים על לוחות מורכבים של GFRP, אשר דחוסים עם אבקת ב-B4C) ב- 5-10 שנים, 000 שנים, לאחר מכן, השתמשו בפאנלים נוספים של חומר נפץ נמוך יותר, לאחר מכן, ו- 20 מ"מ"מ"מ"מ"מ"מ"מ"מ"מ"מ"מ"מ"מ"מ, לא היו בשימוש, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000 שנים של הגנה , 000, 000, 000, 000 שנים של הגנה קפדנית, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000 שנים של הגנה קפדנית, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000 שנים של הגנה קפדנית, 000 שנים של הגנה על גבי לוח מורכב, 000, 000, 000, 000, 000

מערכות תמיכה פיפפינג ומערכת תמיכה סטרקטיבית

הרשת הנרחבת של מים קירור, אוורור, צינורות ניקוז ב Fukushima סבלו מקטעי דלילה מושרה, קורוזיה ממים ומיטור, והתגלמות מקרינת gamma.חלל צינורות מלא היה בלתי אפשרי במקרים רבים עקב מגבלות גישה וקצבי בניין מורכבים. Composite הפכו לשיטת התיקון העיקרית.

שיטות התקנה מרחוק עם מערכות רובוטיות

אזורי הדגירה הגבוהים אילצו מהנדסים לפתח מערכות רובוטיות ליישום מורכב.הידוע ביותר הוא המניפולטור "Compositron" המוצב לשימוש ב- Unit 2. הרובוט הנמשך 6-DOF עם גורם קבוע שיכול לחתוך, מקום, וגלגל את לוחות מערכת ההפעלה המותקנות של מערכת ההפעלה היפנית, אשר נעשה שימוש ב- CRP, לאחר מכן, הוא מצויד במצלמות, dosimeters, ומערכת ריק לשליטה על אבק עבור אבק עבור אבק של 3 מ-F.

חותם של סדקים וחדירה

סדקים ב רצפות בטון וקירות תרמו לנפח העצום של מים מזוהמים ב Fukushima (כיום מעל 1 מיליון מ"ק) חסימת דליפות אלה הייתה עדיפות למנוע זיהום נוסף של מים קרקעיים מסורתיים, גרורות מלטקטיות מסורתיות לא הצליחו בגלל תכולת הלחות גבוהה והתקפה כימית מן המים.

יתרונות מרכזיים של קומפלקסים מתקדמים בסביבה גרעינית

אימוץ של מרוכבים בפוקושימה היה מונע על ידי יתרונות הניתנים למדידה על חומרים קונבנציונליים, אישר באמצעות בדיקות מעבדה וניסיון שדה. היתרונות האלה מרחיבים על פני לוגיסטיקה, בטיחות, ועלויות מחזור חיים.

כוח גבוה ל-Weight Ratio ואינטגרליות סטרקטיבית

הכוח הספציפי של CFRP יכול לעלות על 1,500 kNm / ק"ג, בהשוואה ל- 200-300 kNm / ק"ג של פלדה מספק CRP עבה של 1 מ"מ כספית לחבורת CFRP יכול להחליף צלחת פלדה 6 מ"מ עבור מקרים מסוימים עומסים מסוימים. at Fukushima, צמצום משקל חומרי היה קריטי עבור תחבורה ידנית דרך עובי, וכדי להגביל עומסים דינמיים כבר ניזוק, הגבלת של 5% של עמודה בטון 48,000 פעמים לפני החוזקה, 000 ק"ל, לאחר מכן, 000 קלומטרים מתקדמים, 000 קלפיית לחץ על ידי לחץ על ידי ccrexit אורך טווח יעיל יותר מ- kcpcret אורך טווח, 000 קלף (מ אורך טווח יעיל יותר מ-R) לאחר ירידה של עד בינונית עד בינונית עד בינונית עד בינונית עד בינונית עד בינונית עד בינונית עד בינונית יותר מ-R) על ידי ירידה של 0, 000 קלושט (מ אורך טווח יעיל יותר מ- kcpxipxipxipxipxipxit אורך טווח יעיל יותר מ-ידי לחץ על ידי לחץ יעיל יותר מ-ידי לחץ על ידי ירידה של עד בינונית עד בינונית עד בינונית עד בינונית עד בינונית עד בינונית יותר מ-ידי cp

קורוזיה והתנגדות כימית

בעוד המריצה של תרכובות פולימרית פועלת כמכשול בלתי אפשרי למים, חמצן ומין ionic הגורם קורוזיה במכות.בתנאים חומציים של המים המזוהמים של Fukushima (pH 3-5 באזורים מסוימים), פלדה תקיף בקצבה מחזורית של 1/שנה ללא הגנה.

עיצוב גמישות והתאמה אישית

בדים Composite ניתן לחתוך ולהכוון על האתר כדי להתאים שדות גיאוגרפיים מורכבים וסטרס. at Fukushima, מהנדסים המשמשים סריקה לייזר 3D כדי ליצור מודלים משטח של אזורים פגומים, ולאחר מכן מתוכנת מכונות חיתוך אוטומטיות לייצר צורות הבד המתאימים בדיוק. כיוונים סיביים נבחרו על בסיס כיוונים עיקריים: עבור אזור נשלט על ידי Shear-do-dod, פריסה 45 ° היה בשימוש עבור שטח רחב / ערימה של מתכתי זה היה מסוגלות עם שכבות.

רגיעה וצמצום Worker Exposure

כל היבט של תיקון מורכב - החל תחבורה ליישום - אספקת מינון קרינה העובד.גלגל יחיד של בד CFRP (30 ק"ג) יכול להחליף צלחת פלדה 500 ק"ג, עובדים לשאת גלילים תרמילים, צמצום סיכונים טיפול ידניים.מערכות ריבין ארוזים במינון כפול-רכבי שמשלים את הפחתת פני השטח הדרושים כדי להפחית את הצורך בציוד תערובת כבד.

אתגרים בשימוש ב Composites לתיקון גרעיני

למרות היתרונות האלה, התרכובות אינן פתרון אוניברסלי.החוויה של פוקושימה הדגישה מספר אתגרים טכניים ורגולטוריים שיש לטפל בהם כדי לקדם את הפריסה הגרעינית הרחבה יותר.

קרינה – Induced Degradation

GamEA ו-Nutron irradiation גורמים לקישורים ושרשרת ניתוק בשלב החידוש הפולימרים, המוביל לחיסולים מורכבים, אובדן של כוח ה- Ilaminar (ILSS), ו- microcracking. atמינונים מעל 10 MGy, epoxies טיפוסי יכול לאבד 30–50% של מבחנים פחמן בעצמם הם עמידים מאוד (stable to 100y), אבל ה-Fakai) עם מחזור חיים מופחתת 2.

תנאי ארוך והזדקנות

מעבר לקרינה, מרוכבים מתמודדים עם מתח סביבתי: ספיגת לחות (עד 2% על ידי משקל באפיקסים), רכיבה תרמית (מ- 10 מעלות צלזיוס ל-60 מעלות צלזיוס באקלים יפני), ומציבה תחת עומס מתמשך. חיי שירות של 30 שנים דורשים עיצוב זהיר.ב- Fukushima, ניטור כולל סיבים מוטבעים פחות מ-FBG) חיישנים כי מדדים וטמפרטורות ירידה במשקל על דגימות שדה- 8 שנים לאחר מכן יש ירידה של 8 מעלות צלזיוס, אך יש ירידה של פחות מטווח זמן קצר לאחר מכן, אך ורק לאחר מכן, אך ורק לאחר זמן קצר לאחר מכן, 000 גרם לטמפרטורה ארוך יותר מ-8% אורך מחזורי הראייה לאחור, יש ירידה של 15.

ביצועים גבוהים

כלי לחץ ליד כור או או או או אופות קיטור, טמפרטורות יכולות לעלות על 150 מעלות צלזיוס. epoxy resin epoxy בדיקה מחזורי מעבר זכוכית (Tg) של 80-120 מעלות צלזיוס; מעל Tg, ה-Resin רכך ומאבד יכולת העברת עומס. at Fukushima, מיפוי תרמי באמצעות מצלמות אדרא אדום מזוהה כתמים חמים שבהם ניתן היה לעבור על ידי מהנדסים גבוהים יותר ספקטרום (Tgepoxies (Tg) (עד למעלה מ-to-to-to-to-C) (עד 200 מעלות צלזיוס) ו-C) כדי לרפא שכבה גבוהה יותר עבור חומרים נוזליתיקים (אורד) עבור מינרלים (עד 200 מעלות צלזיוס) עבור חומרים חמים יותר) או יותר) עבור תאים חמים יותר עבור תאים חמים יותר (אורד) או יותר (C) עבור תאים חמים יותר (C) עבור תאים חמים יותר (מתאים חמים יותר (C) עבור תאים חמים יותר (C) עבור תאים חמים יותר עבור תאים חמים יותר (C) עבור תאים חמים יותר (C) עבור תאים חמים יותר עבור תאים חמים יותר עבור תאים חמים יותר (C) עבור תאים חמים יותר (או יותר) עבור תאים חמים יותר).

סיכון של אש ושומן

תרכובות פולימר יכולות לתמוך בבעירה, ובצמח גרעיני שבו מימן עשוי לצבור, זהו סיכון משמעותי.כל התיקונים המורכבים ב-Fukushima נדרשו לעמוד בתקן התעשייתי היפני (JIS) להפצת הלהבה (Class A2 או יותר) לתוספתנים כגון כוויות אנטי-חמצני, משולש אלומיניום, או ציפויים אינפיניים נמצאים בשימוש.

סליחות ו Qualification Hurdles

הרגולטורים הגרעיניים דורשים ביצועים מוכחים על חיי העיצוב, נתמך על ידי קודים וסטנדרטים ביפן, רשות הרגולציה הגרעינית (NRA) עבדה עם TEPCO והמכון לבטיחות גרעינית ביפן כדי לפתח הנחיות לתיקונים מורכבים, שפורסמו ב-2016 הנחיות אלה דורשות: (1) אישור מוקדם של מערכת ה-DDC המורכבת בכל מקרה של טיפול ב-CDC (למשל, קרינה, טמפרטורה כימית), בדיקה מלאה של מטען תחת עומסי של 3.

כיוונים עתידיים ומחקר מתמשך

השיעורים של Fukushima הם מאיצים מחקר חומרים מורכבים ברחבי העולם.כמה כיוונים מבטיחים הם רדוף במעבדה ממשלתית ואוניברסיטאות.

המונחים: self-Healing Composites

מיקרו-קררים מקרינה או טעינה מכנית יכולים להתרבות לאורך זמן, תוך שילוב של שלמות מורכבת.הרכיבים עצמיים מתוכננים להפחתה של מיקרו-capsules (50–200 מיקרומטר) מלאים סוכן ריפוי נוזלי, כגון dicyclopentadiene (DCPD) המתוכננים על ידי מעבדי Cheics Opentadiene (Crem) לאחר ruptures של קפיצות שדה נמוכות של 10, הסוכן מרפא לתוך ה-Rics, לאחר , לאחר קרינת CRACKDVic) ו-Ric של 10 שנים לאחר סימולציה מוגבלת של קרינת CRASTVMA.

חומרים ננו-Enhanced

הוספת צינורות פחמן (CNTs), גרפן ננופליות, או ננו-גיל בגודל ננופולה לשרף יכול לשפר באופן משמעותי את עמידות הקרינה, מוליכות תרמית, ונוקשות.לדוגמה, 1% CNTs על ידי משקל ב-epoxy להגדיל את כוח ה- nilaminar על ידי 30% ולהפחית את חומר ה-Ratroned אנרגיה על ידי 40%.

עיצובים גרפיים

הטבע מספק מודלים לחומרים קשים, סובלניים. Nacre (אמא של פנינה) משיגה כוח גבוה וקשידות באמצעות מבנה של טבליות aragonite המחוברת עם biopolymer חוקרים באוניברסיטת קיוטו יצרו ערימה של אוויר-מאנטית נוקשה באמצעות מיקרו-מנטליגמנטים ומטריקס סיליקון, השגת שבר של 15 מיקרו-קרבות קשיחות (nbactal) כמו טיפול כימי-חומצה גבוהה.

תאומים ותנאי מעקב

כדי לנהל את ההזדקנות של תיקונים מורכבים במשך עשרות שנים, תאומים דיגיטליים מפותחים כי שילוב נתונים של חיישן עם סימולציות המבוססות על פיזיקה. at Fukushima, חיי FBG מוטבעים בשכבות מורכבות במקומות נציגים.חיישנים אלה מודדים טמפרטורה, מתוחה, ולחות יחסית.המידע מועבר באופן אלחוטי למסד נתונים מרכזי, אשר ניזונים לתוך מודל יעד סופי, החיזוי החיים השימושיים של כל תיקון מבוסס על בסיס של מערכת העיכול, אם יש צורך, לדוגמה, לדוגמה, אם יש השפעה חיצונית, אם יש צורך, לדוגמה, לדוגמה, על בסיס מערכת אבטחה מבוססת על בסיס מערכת ההפעלה, על בסיס מערכת ההפעלה, על בסיס מערכת החיסון, אם יש צורך של מערכת אבטחה מבוססת על בסיס מערכת ההפעלה של מערכת ההפעלה של מערכת ההפעלה של מערכת ההפעלה של מערכת ההפעלה של מערכת ההפעלה של מערכת ההפעלה של מערכת ההפעלה הבסיסית של מערכת ההפעלה של מערכת ההפעלה של מערכת ההפעלה של מערכת ההפעלה של מערכת ההפעלה של מערכת ההפעלה מבוססת על בסיס מערכת ההפעלה של מערכת ההפעלה של מערכת ההפעלה של מערכת ההפעלה Fchi, היא יעילה, היא יעילה, היא יעילה יותר משקף את אותה מערכת ההפעלה Fchi, אם היא יעילה, אם היא עשויה להיות מורכבת, אם היא יעילה יותר מדי שבועית אבטחה מבוססת על בסיס מערכת ההפעלה הבסיסית של מערכת ההפעלה מבוססת על בסיס מערכת ההפעלה Fchi

התייחסות חיצונית וקריאה נוספת

  • (FLT:0)TEPCO Decommissioning Plan for Fukushima DaiichiFIRLT 1 - עדכונים רשמיים על טכנולוגיות תיקון וקידמה.
  • דוח Fukushima Daiichive תאונות 1:1 - הערכה טכנית מקיפה ושיקולים חומריים.
  • (FLT:0) יובל למדע וטכנולוגיה גרעיניים: יישום משותף לתיקון גרעיני 1 - מחקרים עמיתים על השפעות קרינה על CFRP.
  • (FLT:0 ScienceDirect Topics on Nuclear Composite Materialss) 1 (אוסף מאמרים על חומרים מתקדמים לשימוש גרעיני).
  • רשות תקנות הנובלות היפנית FLT:1 - מסגרת רגולטורית וסקירות בטיחות עבור תיקונים מורכבים במתקני גרעין.

ההשפעה האחרונה של Composites על פירוק גרעיני

התאונה Fukushima קטזנה טרנספורמציה בחומרי תיקון גרעיני.מרכיבים מתקדמים, בתחילה נתפס כגורם זמני, הפכו לחלק קבוע של ערכת הכלים המפרקים.הצלחתם יצרה מחקר חדש, קודים חדשים, ויכולות חדשות שכבר מיישמים באתרי גרעין אחרים, החל מוורמונטקה ועד למפעל ה-Sellafield Reprocessing.