Γιατί το αλουμίνιο χρησιμοποιείται σε πυρηνικούς αντιδραστήρες
Το αλουμίνιο ήταν το πρώτο δομικό μέταλλο που χρησιμοποιήθηκε μέσα σε έναν πυρηνικό αντιδραστήρα και παραμένει ένα άλογο εργασίας για μηχανές έρευνας και δοκιμής. Ο λόγος είναι νετρονικός και όχι μηχανικός: η διατομή θερμικής απορρόφησης νετρονίων-του αλουμινίου είναι περίπου 0,23 αχυρώνες, επομένως τα εξαρτήματα αλουμινίου που είναι εγκατεστημένα κοντά στον πυρήνα καταναλώνουν πολύ λίγα νετρόνια σε σύγκριση με τον ανοξείδωτο χάλυβα. Τα πρώτα κρίσιμα συγκροτήματα όπως το Chicago Pile-1 το 1942 χρησιμοποιούσαν καύσιμο με επένδυση αλουμινίου για αυτόν ακριβώς τον λόγο.
Η χαμηλή απορρόφηση παρασιτικών νετρονίων διατηρεί το απόθεμα καυσίμου που απαιτείται για την κρισιμότητα μέτριο.
Η υψηλή θερμική αγωγιμότητα κοντά στα 237 W/mK μεταφέρει τη θερμότητα από τις πλάκες καυσίμου στο ψυκτικό υγρό αποτελεσματικά.
Η χαμηλή πυκνότητα 2,70 g/cm3 επιτρέπει ελαφριά, εύκολα χειριζόμενα στοιχεία καυσίμου και εγκαταστάσεις ακτινοβολίας.
Καλή συμβατότητα με καύσιμο ουρανίου σε συστήματα που ψύχονται με νερό- κάτω από περίπου 200 βαθμούς .
Εξαιρετική ικανότητα κατασκευής σε λεπτές πλάκες, κανάλια και σωλήνες με λεπτά-τοιχώματα.
Εσωτερικά στοιχεία αντιδραστήρα και καθήκοντα εξαρτημάτων
Μέσα σε έναν ερευνητικό αντιδραστήρα, το αλουμίνιο εμφανίζεται σε τέσσερις κύριες κατηγορίες λειτουργίας: επένδυση στοιχείων καυσίμου και πλαίσια, εξοπλισμός παραγωγής ακτινοβολίας και ισοτόπων, εξοπλισμός σωλήνα δέσμης και ανακλαστήρων και σωλήνες ψυκτικού υγρού συν δεξαμενή στα τμήματα χαμηλής-θερμοκρασίας του βρόχου{1}}Οι εξωθήσεις T6 είναι οι προεπιλεγμένες δομικές και δομικές βαθμοί κάλυψης c1100 καθήκοντα σωληνώσεων.
Η διαφάνεια νετρονίων καθιστά επίσης το αλουμίνιο χρήσιμο για τα εξαρτήματα που πρέπει να βρίσκονται πιο κοντά στις πειραματικές θέσεις, όπου οποιαδήποτε χαλύβδινη κατασκευή θα μείωνε τη διαθέσιμη ροή. Τα όργανα μέσα σε σωλήνες δοκού και εφαπτομενικές εγκαταστάσεις χρησιμοποιούν τακτικά πλαίσια στήριξης αλουμινίου για αυτόν τον λόγο.
Αλουμίνιο ως επένδυση καυσίμου
Τα στοιχεία καυσίμου{0}}τύπου πλάκας κυριαρχούν στους ερευνητικούς αντιδραστήρες. Ένα κρέας καυσίμου διασποράς πυριτιδίου ουρανίου-αλουμινίου ή ουρανίου συγκολλάται σε ρολό μεταξύ πλακών κάλυψης από κράμα αλουμινίου και στη συνέχεια διαμορφώνεται σε καμπύλες ή επίπεδες πλάκες συναρμολογημένες σε ένα στοιχείο κουτιού. Λεπτά στρώματα οξειδίου σχηματίζουν ένα προστατευτικό φράγμα στα υδρόψυκτα συστήματα και η επένδυση κρατά τα προϊόντα σχάσης έξω από το κύριο ψυκτικό υγρό.
| Κράμα | Πυκνότητα (g/cm3) | Τυπικό καθήκον αντιδραστήρα |
|---|---|---|
| 1100 (περίπου 99% Al) | 2.71 | Υλικό ενεργοποίησης-χαμηλής θερμοκρασίας, χαμηλής-θερμοκρασίας |
| 6061-T6 (Al-Mg-Si) | 2.70 | Δομικά κουφώματα, περιβλήματα στοιχείων, σωληνώσεις |
| 5052 (Al-Mg) | 2.68 | Σωλήνας ψυκτικού υγρού, δεξαμενές, γενική κατασκευή |
| Βαθμοί Al-Ni-Fe | 2.72 | Επένδυση που αναπτύχθηκε για υπηρεσία δοκιμής υψηλότερης θερμοκρασίας |
| Πυροσυσσωματωμένη σκόνη αλουμινίου | 2.70 | Η διασπορά-ενίσχυσε τα εξαρτήματα υψηλής- θερμοκρασίας |
Η στεγανότητα{0}}διαρροής παρά η αντοχή καθορίζει τη σχεδίαση της επένδυσης. Η ποιότητα σύνδεσης μεταξύ του κρέατος καυσίμου και της πλάκας κάλυψης επαληθεύεται με επιθεώρηση υπερήχων κατά την κατασκευή και τα τελειωμένα στοιχεία ελέγχονται για ανοχή διαστάσεων και ελαττώματα επιφάνειας πριν από τη φόρτωση.
Περιορισμοί του αλουμινίου σε πυρηνικές εφαρμογές
Η θερμοκρασία θέτει το πρώτο σκληρό όριο. Τα κράματα αλουμινίου υπερβαίνουν και χάνουν αντοχή πάνω από περίπου 150 βαθμούς, γεγονός που τα αποκλείει από τα πρωτεύοντα κυκλώματα ψυκτικού υγρού των αντιδραστήρων ισχύος, όπου χρησιμοποιούνται αντ' αυτού ανοξείδωτος χάλυβας και κράματα ζιρκονίου. Η διάβρωση του νερού γίνεται σημαντική καθώς αυξάνονται οι θερμοκρασίες και απαιτείται ακριβής έλεγχος της χημείας του νερού για την καταστολή της επίθεσης των κοιλωμάτων στην επικαλυμμένη επιφάνεια.
Η ακτινοβολία προσθέτει ένα δεύτερο σύνολο ορίων. Σε υψηλή ροή νετρονίων το αλουμίνιο υφίσταται διόγκωση κενών, ανάπτυξη και ευθραυστότητα, ενώ οι αντιδράσεις μεταστοιχείωσης δημιουργούν πυρίτιο και ήλιο μέσα στο μέταλλο. Η ενεργοποίηση είναι σοβαρή αλλά βραχύβια, επειδή η σύλληψη νετρονίων παράγει νάτριο-24 με χρόνο ημιζωής 15-ωρών, επομένως το υλικό αλουμινίου γίνεται χειριζόμενο μετά από μια σύντομη περίοδο αποσύνθεσης αντί να απαιτεί μακροχρόνιο χειρισμό από απόσταση.
Παροπλισμός και ανακύκλωση υλικού αλουμινίου
Η απόσυρση ενός ερευνητικού αντιδραστήρα ή ενός δοκιμαστικού βρόχου παράγει ένα καθορισμένο ρεύμα αλουμινίου: υλικό στοιχείου καυσίμου που ήδη διαχειρίζεται ως ακτινοβολημένο υλικό, συν δομές χαμηλής-δραστηριότητας, όπως δεξαμενές, αγωγοί και πλαίσια εξέδρας. Το μέταλλο χαμηλής-δραστικότητας ερευνάται, αποθηκεύεται και στη συνέχεια λιώνει για περιορισμένη επαναχρησιμοποίηση, συχνά αναδιατυπώνεται ως προστατευτικά μπλοκ, ενώ η τήξη ανακτά περισσότερο από το 95% του καθαρού αλουμινίου. Η διύλιση τήγματος και η ηλεκτροδιύλιση διαχωρίζουν το αλουμίνιο από τη βαρύτερη μόλυνση και η αυστηρή λογιστική υλικών διατηρεί τα ενεργοποιημένα κλάσματα εντός των αδειοδοτημένων οδών απορριμμάτων.
Συχνές Ερωτήσεις
Ε: Γιατί χρησιμοποιείται το αλουμίνιο σε εξαρτήματα πυρηνικών αντιδραστήρων;
Επειδή η διατομή απορρόφησης θερμικών νετρονίων-είναι μόνο περίπου 0,23 αχυρώνες, γεγονός που διατηρεί χαμηλές τις απώλειες αντιδραστικότητας και επειδή η υψηλή θερμική αγωγιμότητα βελτιώνει την απομάκρυνση θερμότητας από τις πλάκες καυσίμου στο ψυκτικό.
Ε: Ποιοι είναι οι κύριοι περιορισμοί του αλουμινίου στις πυρηνικές εφαρμογές;
Τα κράματα χάνουν αντοχή πάνω από περίπου 150 βαθμούς, η διάβρωση του νερού επιταχύνεται σε υψηλή θερμοκρασία και η υψηλή ροή νετρονίων προκαλεί διόγκωση και ευθραυστότητα. Ως εκ τούτου, οι αντιδραστήρες ισχύος χρησιμοποιούν κράματα ζιρκονίου.
Ε: Πώς λειτουργεί το αλουμίνιο ως επένδυση πυρηνικού καυσίμου;
Αποδίδει πολύ κάτω από περίπου 200 μοίρες, σχηματίζοντας ένα λεπτό προστατευτικό οξείδιο σε υδρόψυκτα συστήματα. Απαιτεί ελεγχόμενη χημεία του νερού για την αποφυγή δημιουργίας κοιλοτήτων και είναι ακατάλληλο για καύσιμο αντιδραστήρα εμπορικής ισχύος.
Ε: Ποια κράματα αλουμινίου είναι κοινά στα πυρηνικά συστήματα;
6061-T6 για δομικά εξαρτήματα, 1100 για επένδυση χαμηλής-θερμοκρασίας, 5052 για σωληνώσεις και δεξαμενές, βαθμίδες Al-Ni-Fe για θερμότερες δοκιμαστικές υπηρεσίες και πυροσυσσωματωμένη σκόνη αλουμινίου όπου απαιτείται αντοχή διασποράς.
Ε: Πώς ανακυκλώνεται το αλουμίνιο από παροπλισμένους αντιδραστήρες;
Το ενεργοποιημένο υλικό αποθηκεύεται σε αποσύνθεση για να αφήσει τα προϊόντα μικρής διάρκειας-όπως το νάτριο-24 να εξαφανιστούν, στη συνέχεια να ερευνηθούν και να λιώσουν. Η τήξη ανακτά περισσότερο από το 95% του καθαρού μετάλλου και το αλουμίνιο χαμηλής δραστικότητας συχνά ανακατασκευάζεται σε προστατευτικά μπλοκ.
Ε: Έχει σημασία η ενεργοποίηση αλουμινίου για εργασίες συντήρησης;
Ναι, αλλά μόνο εν συντομία. Το νάτριο-24 έχει μισή-ζωή περίπου 15 ωρών, επομένως τα εξαρτήματα αλουμινίου γίνονται προσβάσιμα μετά από μια σύντομη περίοδο ψύξης, σε αντίθεση με εξαρτήματα που περιέχουν προϊόντα ενεργοποίησης μεγάλης διάρκειας ζωής.
