Introduzione: L'imperatrice Fukushima per i materiali avanzati

Gli eventi catastrofe della Fukushima Daiichi Nuclear Power Plant nel marzo 2011 hanno esposto le debolezze fondamentali nelle strategie di contenimento e riparazione dei reattori convenzionali. Il terremoto e lo tsunami hanno innescato i fusori del nucleo, le esplosioni dell'idrogeno e le uscite radioattive diffuse, creando un ambiente in cui i metodi di riparazione tradizionali, il posizionamento dei materiali strutturali di cemento, o le connessioni bulloni, hanno raggiunto i loro limiti.

Il disastro e la domanda di soluzioni di riparazione innovative

I sistemi di trasporto di rifiuti, i sistemi di trasporto e le apparecchiature di trasporto, i sistemi di trasporto, i sistemi di trasporto e le reti di trasporto, i sistemi di trasporto, i sistemi di trasporto, i sistemi di trasporto, i sistemi di trasporto, i sistemi di trasporto, i sistemi di trasporto, i sistemi di trasporto, i sistemi di trasporto, i sistemi di trasporto, i sistemi di trasporto, i sistemi di trasporto, i sistemi di trasporto, i sistemi di trasporto e i sistemi di trasporto, i sistemi di trasporto, i sistemi di trasporto, i sistemi di trasporto, i sistemi di trasporto, i sistemi di trasporto, i sistemi di trasporto, i sistemi di trasporto, i sistemi di trasporto, i sistemi di trasporto, i sistemi di trasporto, i sistemi di trasporto e le telecomunicazioni, i sistemi di trasporto, i sistemi di trasporto, i sistemi di trasporto, i sistemi di trasporto, i sistemi di trasporto, i sistemi di trasporto, idraulici, i sistemi di trasporto, i sistemi di trasporto, i sistemi di trasporto, i sistemi di trasporto, i sistemi di trasporto, i sistemi di trasporto, i sistemi di trasporto, i sistemi di trasporto, i sistemi di trasporto, i sistemi di trasporto, i sistemi di trasporto, i sistemi di trasporto,

Tipi di base dei materiali compositi avanzati per applicazioni nucleari

I compositi avanzati per la riparazione nucleare sono costruiti sugli stessi principi utilizzati nei settori aerospaziale o automobilistico: fibre ad alte prestazioni incorporate in una matrice di polimeri che trasferisce carichi e protegge le fibre dall'attacco ambientale. Ciò che distingue i compositi di livello nucleare è l'attenta selezione di sistemi di resina e tipi di fibra per la tolleranza alle radiazioni, la bassa estrazione e la resistenza a lungo termine alle sollecitazioni chimiche e termiche.

Polimeri rinforzati in fibra di carbonio (CFRP)

I polimero rinforzato con fibra di carbonio combinano filamenti di carbonio ad alta resistenza (di solito 7-10 μm di diametro) con un epossidica, estere di vinile, o resina estere di cianato. CFRP vanta resistenze di trazione superiori a 3.500 MPa e modulicli su 230 GPa, producendo specifici punti di forza circa 10 volte rispetto a quelli dell’acciaio strutturale.

Polimeri rinforzati in fibra di vetro (GFRP)

Per la costruzione di un materiale disperso in GFR, il GFRP ha permesso di realizzare un rapporto di compatibilità con il GFR, con i grandi impianti di filtraggio, con i quali è stata utilizzata una copertura di tipo GFR-S.

Compositi di fibra aramidica

Le fibre aramide, come Kevlar, hanno una resistenza ad alta trazione (circa 2.700 MPa) e una resistenza eccezionale, il che significa che assorbe grandi quantità di energia prima della rottura. La loro gravità specifica (1.44) è inferiore al vetro (2.5) e al carbonio (1,5), ma hanno un coefficiente negativo di espansione termica.

Sistemi compositi ibridi

Molte strategie di riparazione a Fukushima combinavano diversi tipi di fibre in un unico laminato per ottimizzare le prestazioni. Ad esempio, un tessuto ibrido potrebbe avere fibre di carbonio orientate a 0° e 90° per resistenza assiale e hoop, il vetro a ±45° per resistenza al taglio, e uno strato superficiale di aramide per la protezione contro gli urti.

Applicazioni specifiche dei compositi nelle riparazioni del reattore di Fukushima

L'uso di materiali compositi a Fukushima si è evoluto da patching di emergenza a piani di aggiornamento strutturale. Ogni applicazione ha richiesto un'attenta progettazione per tenere conto delle radiazioni, della temperatura, dell'umidità e dei vincoli di accessibilità.

Rinforzo di navi da trasporto di contenimento

Dopo le esplosioni di idrogeno, i vasi di contenimento primari (PCV) delle unità 1-3 sono rimasti intatti ma sono stati compromessi strutturalmente. Le coperture in acciaio erano state indebolite da incendi e cicli termici, e il calcestruzzo circostante era stato poi danneggiato da esplosioni.

Spent Fuel Pool Lining e schermatura

I pannelli di scarico a gas conduttivi a gas non sono stati utilizzati per la protezione dei gas di scarico.

Sistemi di sostegno strutturale e tubazioni

La vasta rete di raffreddamento dell'acqua, della ventilazione e dei tubi di scarico a Fukushima ha subito una fessura indotta dal terremoto, la corrosione da acqua di mare e vapore, e l'embrionamento da radiazioni strutturali gamma. La sostituzione del tubo completo è stata impossibile in molti casi a causa di restrizioni di accesso e tassi di difetto della dose.

Tecniche di installazione remota con sistemi robotizzati

I sistemi di riparazione a 3 tempi sono stati utilizzati per la riparazione di un robot a 3 tempi, e il sistema di controllo a 3 tempi è stato utilizzato per la riparazione di altri sistemi di protezione a 3 livelli.

Sigillatura di Cracks e Penetrazioni

Le fessure di levigatura in pavimenti e pareti in cemento hanno contribuito al volume massiccio di acqua contaminata a Fukushima (attualmente oltre 1 milione di metri cubi).La sigillatura di queste perdite è stata una priorità per evitare ulteriori contaminazioni di acque sotterranee. Le granate tradizionali di cemento hanno fallito a causa del contenuto di umidità e dell'attacco chimico dall'acqua.

Vantaggi chiave dei compositi avanzati negli ambienti nucleari

L'adozione di compositi a Fukushima è stata guidata da vantaggi misurabili rispetto ai materiali convenzionali, convalidati attraverso test di laboratorio e esperienza sul campo, che si estendono attraverso la logistica, la sicurezza e i costi del ciclo di vita.

Alta resistenza a riposo e Integrità strutturale

La forza specifica di CFRP può superare i 1.500 kN·m/kg, rispetto al diametro 200–300 kN·m/kg dell'acciaio. Ciò significa che un laminato CFRP di spessore di 1 mm può sostituire una piastra di acciaio di 6 mm per alcuni casi di carico.

Resistenza alla corrosione e chimica

La matrice polimerica dei compositi agisce come una barriera impermeabile all’acqua, all’ossigeno e alle specie ioniche che causano la corrosione nei metalli. Nell’alta sicurezza, le condizioni acide dell’acqua contaminata di Fukushima (pH 3-5 in alcune zone), l’acciaio corroderebbe a tassi superiori a 1 mm/anno senza protezione.

Flessibilità del design e rinforzo su misura

I tessuti compositi possono essere tagliati e orientati sul posto per abbinare geometrie complesse e campi di stress. A Fukushima, gli ingegneri hanno usato la scansione laser 3D per creare modelli di superficie di aree danneggiate, poi programmato macchine di taglio automatizzate per produrre forme di tessuto che si adattano esattamente.

Facilità di gestione e esposizione dei lavoratori ridotta

Ogni aspetto della riparazione composita, dal trasporto all’applicazione, riduce la dose di radiazione del lavoratore. Un singolo rotolo di tessuto CFRP (30 kg) può sostituire una piastra d’acciaio da 500 kg. I lavoratori trasportano rotoli in zaini, riducendo i rischi di manipolazione manuale. I sistemi di resina sono confezionati in doppio cartucce che sono mescolate attraverso un ugello statico, eliminando la necessità di apparecchiature pesanti di miscelazione.

Sfide nell'utilizzo di compositi per le riparazioni nucleari

Nonostante questi vantaggi, i compositi non sono una soluzione universale, l'esperienza di Fukushima ha evidenziato diverse sfide tecniche e regolamentari che devono essere affrontate per una più ampia distribuzione nucleare.

Degradazione indotta dalle radiazioni

I modelli di radiazione combinata di Gamma e neutroni causano la scissione di collegamento trasversale e catena nella matrice polimerica, che portano a embrittlement, perdita di resistenza di taglio interlaminare (ILSS), e microcracking.

Durata e invecchiamento a lungo termine

Oltre alle radiazioni, i compositi affrontano gli stressanti ambientali: l'assorbimento dell'umidità (fino al 2% in peso negli epossi), il ciclo termico (da -10°C a 60°C nei climi giapponesi), e il strisciamento sotto carico sostenuto. Una durata di 30 anni richiede un design attento.

Prestazioni ad alta temperatura

I modelli di vapore ad alta temperatura (in inglese) sono più alti di 150°C. La resina epossidica convenzionale ha una temperatura di transizione del vetro (Tg) di 80-120°C; sopra Tg, la resina si ammorbidisce e perde la capacità di trasferimento del carico.

Rischi di fuoco e infiammabilità

I compositi polimerici possono sostenere la combustione, e in una centrale nucleare dove l'idrogeno può accumularsi, questo è un rischio significativo. Tutte le riparazioni composte a Fukushima sono state tenute a soddisfare lo standard industriale giapponese (JIS) per la diffusione della fiamma (Classe A2 o meglio).

Regolazione e qualificazione

In Giappone, l'Autorità per il Regolamento Nucleare (NRA) ha lavorato con TEPCO e il Giappone Istituto per la Sicurezza Nucleare per sviluppare linee guida per le riparazioni composite, pubblicate nel 2016. Queste linee guida richiedono: (1) prequalifica del sistema composito per l'ambiente specifico (ad esempio, radiazioni, temperatura, chimico), (2) il personale di mock-up su scala piena sotto carichi sismici, (3)

Le direzioni future e la ricerca in corso

Le lezioni di Fukushima stanno accelerando la ricerca di materiali compositi in tutto il mondo.

Compositi auto-riscaldanti

I microcralows da radiazione o carico meccanico possono propagarsi nel tempo, compromettendo l'integrità composito. I compositi auto-guarigione incorporano microcapsul (50-200 μm di diametro) riempiti con un agente di guarigione liquido, come il diciclopentadiene (DCPD). Quando una fessura rompe le capsule, l'agente curativo scorre nella fessura e reagisce con un catalista incorporato Tokyo 80% di recupero della matrice, polimerizzazione del ciclo di ciclo di polimerizzazione.

Materiali Nano-Incantato

L'aggiunta di nanotubi di carbonio (CNT), nanoplatelets di grafine, o silice nano-dimensione alla resina può migliorare significativamente la resistenza alle radiazioni, la conducibilità termica e la durezza. Ad esempio, 1% CNT per peso in epossidica aumentano la resistenza al taglio interlaminare del 30% e riducono l'embrittlement indotto dalla radiazione del 40%.

Disegni compositi ispirati a bio

La natura fornisce modelli per i materiali resistenti e nocivi. Nacre (madre di perla) raggiunge elevata resistenza e tenacità attraverso una struttura di mattoni e morta di compresse aragonite incollate con un biopolimero. I ricercatori dell'Università di Kyoto hanno fabbricato un composito di nacre-mimetic con microplasie di alumina e una matrice di silicone, ottenendo una tenacità di frattura di 15 MPa·m^0.5

Gemelli digitali e monitoraggio delle condizioni

Per gestire l'invecchiamento delle riparazioni composte nel corso di decenni, sono stati sviluppati gemelli digitali che integrano i dati dei sensori con simulazioni basate sulla fisica. A Fukushima, i sensori FBG sono incorporati in strati compositi in luoghi rappresentativi. Questi sensori misurano la temperatura, la tensione e l'umidità relativa. I dati vengono trasmessi in modalità wireless a un database centrale che si alimenta in un modello di elemento finito aggiornato settimanalmente.

Riferimenti esterni e lettura

L'impatto finale dei compositi sulla dismissione nucleare

L'incidente di Fukushima ha catalizzato una trasformazione dei materiali di riparazione nucleare. I compositi avanzati, inizialmente visti come un espediente temporaneo, sono diventati una parte permanente del kit di strumenti di decommissione. Il loro successo ha generato nuove ricerche, nuovi codici e nuove capacità che sono già state applicate in altri siti nucleari, dal Vermont Yankee al sistema di ritrattamento di Sellafield.