Neutron Moderasyonunda Graphite Rolü: Tarihsel ve Modern Perspektif

Grafit, kontrol edilen fission ile en erken deneylerden beri nükleer teknolojide temel bir malzeme olmuştur.Spektif olarak, çok azını absorbe ederken, fizikçilerin yarışını kendi kendine adamış bir zincirleme yapmak için ilk seçimi yaptı. Bugün, grafik mühendisliğin kalıcı bir hikayesini ortaya çıkarır.

Neutron Moderation nedir?

Uranium-235 gibi yakıtlarda Nükleer fission, yüksek hızlarda nötronlar yayınlamaktadır - ikinci başına yaklaşık 20.000 kilometre, megaterminasyon aralığındaki kinetik enerjilere eşdeğerdir.Bu hızlı nötronlar ikinci başına 2,3 milyar dolar daha fazla fiziğe neden oluyor (0.025 eV) Neutron modu, kinetik enerjilerin yavaş yavaş veya eksiltme için çok daha yüksek olduğunu gösteriyor.

İdeal bir moderator düşük atomik bir kütleye sahiptir (her çarpışma daha fazla enerjiye sahiptir), yüksek bir saç kesiti (çok fazla çarpışmalar sıkılır), ve düşük bir absorpsiyon kesiti (so nötronlar da yanmaz olarak yakalanamaz).

Bir Moderatör Olarak Grafitin Tarihi Geliştirme

Atom Çağının Şafakı: Chicago Pile-1

1942 yılında, Enrico Fermi ve Leo Szilard'ın yönünde, dünyanın ilk yapay nükleer reaktöründe yer alan bir lattice yakıt topaktı, Chicago Pile-1 (CP-1) moderatör olarak kullanılmaktadır, çünkü sadece yeterli miktarda ve saflıkta bulunan tek malzemeydi.

CP-1'deki performans o kadar tatmin ediciydi ki, bir sonraki üretim reaktörleri için seçim moderatörü oldu. Washington'daki Hanford Sitesi, tam olarak şekillendirilmiş bloklar ve tam olarak plutonyum üretmek için dikkatli bir şekilde monte edildi.Her Hanford reaktörü şöyle içeriyordu:0).

Sovyet RBMK Reaktörler

En tanınmış grafiksel-ortalama güç reaktörü Sovyet RBMK'dır (Reaktor Bolshoy Moshchnosti Kanalny veya “High-Power Channel-Type Reor”), bu reaktörler, ısıtılmış bir su olarak kullanılan ve hafif su bloklarıdır - onları benzersiz kılan bir kombinasyondur. Grafikte bir yığın, başlangıçta 1,700 ton grafiklere katkıda bulunan bir sabitleme deneyimi içeren bir sabitleme deneyimidir.

Chernobyl kaza, Birleşik Krallık'ın Gelişmiş Gaz-Cooled reaktörleri gibi ayrıntılı bir yeniden değerlendirmeye yol açtı, ancak onlarca yıldır RBMK'nın özel tasarım zayıflıkları ve grafik özellikleri arasında ayrımcı olarak ayrımcılığa yol açtı.

Magnox ve Advanced Gas-Cooled Reors

Birleşik Krallık'ta, grafik modu, ülkenin ilk nükleer enerji istasyonlarına sahip bir kitleye ulaşmak için kabul edildi - Magnox reaktörleri. Bunlar doğal uranyum yakıtı, magnezyum alaşımları pusulama ve karbon dioksit gazı serinleyenler (AGR) ile birlikte, zenginleştirilmiş uranyum ve daha yüksek işletim sıcaklıklara sahip olmak için gerekliydi, ancak düşük zenginleştirme nedeniyle yüksek çözünürlükte 40.000'den fazla sabitlikli bir şekilde tasarlanmıştır.

Modern Graphite-Moderated Rektörler

Yüksek hacimli Gaz-Cooled Rektörler (HTGRs)

Bugün, bir moderator olarak en önemli modern grafik uygulaması, yüksek sıcaklık gaz soğutmalı reaktörlerde (HTGR) Bu reaktörler, 950°C'ye kadar sıcaklıklardan daha yüksek (yaklaşık 300 °C) Graphite, grafiksel olarak yapılan tek pratik moderatordır.

[FONT=0]Zorbahar-bed reaktörleri [DÜDÜT:1], binlerce tenis-toplayıcı-boyutlu grafik alanı, hem de sentetik yakıt üretimi gibi ısıtılmış enerji uygulamaları içermektedir. Çeşitli HTGR tasarımları, 2021 yılında kritik olan ve ABD'de çeşitli projelerde (örneğin, x-enerjili enerji üretimi gibi ısı işlemlerine olanak sağlar.

Gelişmiş Modüler Reaktörler (AMRs) ve Graphite

Birçok küçük modüler reaktör (SMR) ve gelişmiş reaktör tasarımları grafikte yer almaktadır. Bazı molten tuz reaktörleri (MSRs) bir moder olarak grafikte kullanılır, çünkü molten fluoride tuzlarla kimyasal olarak uyumludur. Grafikte yavaş nötronlara hizmet eder ve aynı zamanda yakıt tuzları için kanal sağlar.

Grafit ayrıca bazı sodyum soğutmalı hızlı reaktörlerin temel yapılarında da görünür, ancak bu durumlarda bir moderatör olarak hareket etmez (hızlı reaktörler kasıtlı olarak moderasyondan kaçınır). Bunun yerine, nötron sızıntısını azaltmak ve bir kalkan bileşeni olarak kullanılır.

Fusion Rektör Uygulamaları

Doğrudan bir fission modeerator olmasa da, grafikte füzyon araştırmalarında plazma-yüzlü bir malzeme olarak kullanılır, özellikle Ortak Avrupa Torus (JET) ve Uluslararası Termo ⁇ Deneysel Reaktör (ITER), düşük atom sayısı ve yüksek termal iletkenliği nedeniyle, grafikte tritium tutma konusundaki endişeler, birçok füzyon deneylerinde değiştirilmesine yol açtı.

Nükleer-Grade Graphite'nin üretim ve özellikleri

Tüm grafikler nükleer reaktörler için uygun değildir.AR:0)Nuclear-grad[Dönetici: 1) Katı özellikleriyle karşı karşıya olmalıdır: yüksek saflık (ron ve diğer nötron-absorbing boşlukları 1 parçanın altında olmalıdır), yüksek yoğunluk (1.7-1.9 g/cm3), izotropik mekanik özellikler, ve dikkatlice kontrol edilen porosity. Üretim süreci petrol komplikesi ve kömür sahası ile başlar.

Son ürün, hexagonal katmanlarda ayarlanan kristal bir karbon atomunun yapısına sahiptir.In nötron irradiation, grafikite değişikliklerden geçer: başlangıçta, lattice swells biraz, sonra da lattice hatalarının birikimi, ve sonunda swells tekrar çok yüksek floriteler nedeniyle, reaktör çekirdeğinin tasarım hayatına doğru bir şekilde sabit kalmasını sağlamak için spontane enerji serbest bırakılması gerekir.

Diğer Moderatörlerle Karşılaştırma

Grafit nükleer reaktörlerde kullanılan birkaç moderatörlerden biridir. Aşağıdaki tablo anahtar farklılıkları özetliyor:

ModeratorSlowing PowerAbsorption Cross-sectionMax Operating Temp (°C)Typical Reactors
Graphite (carbon)0.06 cm⁻¹0.0035 barns~1000 (can go higher with advanced forms)Magnox, AGR, RBMK, HTGR, MSR
Light water (H₂O)0.14 cm⁻¹0.66 barns~300PWR, BWR
Heavy water (D₂O)0.11 cm⁻¹0.0005 barns~300CANDU, PHWR
Beryllium (metal)0.12 cm⁻¹0.009 barns~900Test/research reactors

Graphite, yüksek sıcaklık reaktörleri için neden önemlidir, bu yüzden yüksek sıcaklık reaktörleri için en düşük enerjidir, yani aynı modlama elde etmek için daha fazla grafik gerekir - ancak düşük absorpsiyon kesiti daha iyi nötron ekonomisi için gereklidir, özellikle de doğal veya hafif zenginleştirilmiş uranyum kullanan ağır su en düşük absorpsiyona sahiptir, CANDU gibi doğal uranyum reaktörleri sağlar, ancak ağır su üretimi ve işlemek için pahalıdır.

Graphite Moderasyonlarının Avantajları ve Zorlukları

Avantajları Avantajları Avantajları Avantajları

  • [FONT:0) Yüksek termal istikrar: [Dönetici] Graphite, yüksek verimli operasyona ve proses ısı uygulamalarına izin veren, mekanik bütünlüğüne sahip olur.
  • [Düzücükler:0) Düşük nötron absoryonu: [Döndüşük P:0) Düşük nötron absorpsiyonu:[Dönetici:0)) Çok küçük yakalama kesiti, daha fazla nötronlar fission için kullanılabilir, daha düşük zenginleştirici yakıtların veya doğal uranyumun kullanımını sağlar.
  • [FONT:0)Eksik ısı iletkenliği:[Dönetici:[Dönetici:0)) Yakıttan ısıyı bozmaya yardımcı olur, özellikle de ısı transferinin konveksiyon ve iletime bağlı olduğu gaz soğutmalı tasarımlarda.
  • [FONT:0)Chemical uyumluluk: [Dönetici: [Dönetici] Graphite CO2, helium ve molten tuzlar (doğru koşullarda) dahil olmak üzere birçok serinliğe karşı çıkıyor.
  • [FONT:0)İyi nötron modulama oranı:[Dönetici:[Dönetici:0)) Yavaşlama gücü, özellikle yüksek sıcaklıklarda.

Meydanlar ve Güvenlik

  • [FONT:0]Wigner enerji:[Dönetici:0)[Dönetici:0)) Irradiated grafiği, kontrol edilemeyen enerji biriktirebilirse, sıcaklık gezilerine neden olabilir.
  • [FONT:0]Oxidation:[[Dönetici] Graphite yüksek sıcaklıklarda oksijenle tepki verir. Bir hava ingress kazasında, grafik çekirdek yakılabilir. Reaktörler inert gaz atmosferi veya koruyucu sistemlerle tasarlanmıştır.
  • [FONT=0)Radiation hasar:[Dönetici:[Dönetici] Neutron bombacılığa neden oluyor ve termal iletkenlikdeki değişiklikler.Mevcut AGR'lerin yaşam uzatması devam eden izleme ve modelleme gerektirir.
  • [FONT:0]Impurities:[Döneticiler:[Döneticiler: [Döneticiler: [Döneticiler: [Döneticiler: [Döneticiler: [Döneticiler: Lron, lityum ve kamyum gibi izoitler, nötronları absorbe edebilir, reaktiviteyi azaltmalı.
  • [FONT:0)Waste yönetimi: [Dönetici: [Dönetici:0]Reaktör müdafaaları veya incinerasyon/volum azaltmaları nedeniyle grafiksel seçenekler radyoaktifdir.

Nükleer Teknolojide Grafitin Geleceği

Grafik üretimindeki ilerlemeler yeni olasılıklar açıyor.(0)Isotropic grafiğiite) Tüm yönlerde üniformalı özelliklere sahip olan notlar, milyonlarca termal ve radyasyon maruz kalma riskiyle karşı karşıya kalabilen daha hassas temel tasarımlara bağlıdır.

Birkaç Nesil IV reaktör kavramları grafike güveniyor.TheFLT:0)Very High Sıcaklık Reaktör (VHTR)), 1000 °C'nin üzerindeki çıkış sıcaklıklarını hedefliyor, grafikleri hem moderatör hem de yapısal malzeme olarak kullanabilir.The long operating lifes (up to 80 years) Bu reaktörler için planlanan daha iyi bir grafiksel modülatör çekirdeği içerir.

Araştırma:0) ⁇ -grad grafiğiene[[Dönetici:2) ve [[Dört nanotüpler[Döneticiler için 3) için reaktör uygulamaları için kullanılan malzemeler, olağanüstü güç ve termal özelliklerle ilgili potansiyele sahiptir. Ancak, grafik kendisi yüksek sıcaklık fission reaktörlerinde yüksek sıcaklık telleri için işhorse materyali kalır.

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

Bir Chicago squash mahkemesinde, modern HTGRs'te tam olarak mühendisli pebbles ve bloklar için vazgeçilmez bir grafikte bulundu. Düşük nötron absorpsiyonunun eşsiz bir kombinasyonunu, yüksek sıcaklık kapasitesi ve yapısal stabilite, yüksek çözünürlükte, bir nötron zorluğu gibi bir rol üstlenen yeni enerji ve Wigner enerjisi dikkatli bir yönetim gerektirirken, özellikle de grafiksel olarak hızlanan reaktörlere yatırım yaptı.

[0] Daha fazla okuma için Dış kaynaklar:

  • [0]Dünya Nükleer Birliği – Radyoaktif Graphite Yönetimi).
  • [0]IAEA – Evsel Malzemeler IV Reaktörler).
  • [FONT:0)U.S. Nükleer Düzenleme Komisyonu – Gelişmiş Reaktörler[[Döntücüler 1 )