سرامیک های هسته ای(1)

سرامیک های هسته ای(1)

سرامیک های هسته ای(1)

 

نویسنده: حبیب الله علیخانی
منبع اختصاصی: راسخون


 

سوخت ها، جاذب ها و ماتریس های(زمینه های) خنثی

مقدمه

سوخت عموما جزء اصلی یک نیروگاه برق هسته ای است. در حقیقت این کار با استفاده از شکافت اورانیوم یا پلوتونیوم انجام می شود که در آن امکان آزاد سازی انرژی قابل بازیافت وجود دارد. این کار با استفاده از یکی از روش های استاندارد زیر انجام می شود:
بدون سوخت هیچ شکافتی صورت نمی گیرد و بنابراین هیچ انرژی هسته ای نیز تولید نمی شود. این مسئله منجر به پدید آمدن دو نتیجه می شود:
1) سوخت در طی این فرایند متحمل یک تغییر می شود زیرا اتم های با قابلیت شرکت در شکافت هسته ای ساختار مجددی به خود می گیرند و محصولات حاصل از شکافت( ) تولید می شوند و همچنین پلوتونیوم( و سایر عناصر آکتنیدی) در طی فرایند حاصل می شوند. بنابراین در انتهای عمر آن، سوخت بیش از 10% اتم های خارجی دارد که بیش از نیمی از عناصر مندلیف در این مخلوط وجود دارد( شکل 1).
2) سوخت در معرض تابش شدید قرار می گیرد. بیشتر انرژی( ) آزاد شده در طی شکافت به صورت انرژی کینتیکی به محصولات شکافت داده می شود که باعث پدید آمدن خسارت های زیادی در محدوده ی حرکت آنها می شود( از 6 تا 10 میکرون). در طی عمر سوخت، ما می توانیم این خسارت های تابشی را در چند ده هزار جابجایی بر اتم( dpa) ارزیابی کنیم.
برعکس سایر عناصر یک رآکتور هسته ای، سوخت تحت تابش مصرف می شود: بنابراین به نحوی ساخته می شود که بتوان آن را به طور منظم جایگزین نمود. این کار به روشی جزئی انجام می شود( یک سوم یا یک چهارم هسته) که بارگذاری سالانه ی سوخت تازه دارای بازخوردهای مهمی است. این کار همچنین به نحوی انجام می شود که اختلال کلی در کار نیروگاه هسته ای ایجاد نشود. سوخت جدید به نحوی تخصیص داده می شود که کارایی را بهبود دهد و یا ما را قادر سازد تا نیازهای جدید را برطرف کنیم.

المان سوخت

المان سوخت ساده ترین بخش سوخت است. این بخش شامل توده ی از اکسید اورانیوم( یا MOX) است که به صورت قرص های سرامیکی تهیه شده و در داخل لوله ای از جنس آلیاژهای زیرکونیوم قرار داده می شود. دو انتهای لوله جوش کاری می شود و محفظه ی لوله ای دارای قرص های اکسیدی با گاز هلیوم پر می شود تا تبادل حرارتی در داخل لوله بهبود یابد. این المان ها طولی برابر با 4 الی 5 متر دارند و در واحدهای استفاده( handling units) تجمع پیدا می کنند. واحدهای استفاده، محل هایی است المان های تجمع پیدا می کنند( شکل 2).
برای رآکتور تحت فشار آب استاندارد( PWR)، این تجمع شامل 264 میله( با ابعاد 17 در 17 با 24 لوله ی راهنما برای کنترل میله های دارای مواد جاذب و یکی در مرکز برای قرار گیرد آشکارسازهای هسته ای) است. یک PWR دارای 157 تا 193 تا از این چنین تجمع هایی است. این تجمع ها به طور منظم و در زمانی که سوخت مصرف شده است، نوسازی می شوند( در هر بار تعویض یک سوم یا یک چهارم جایگزین می شود).

ساخت سوخت( یا MOX)

اگرچه سوخت بوسیله ی پوشش سوختی از مواد سرد کننده جدا می شود، ولی با این وجود، سوخت باید با ماده ی خنک کننده سازگارپذیر باشد. این اولین شرط برای انتخاب ماده ی مناسب است. مواد سوختی( ماده ی سوختی عموما به صورت اکسید اورانیوم ( ) و یا مخلوطی متشکل از است که به آن MOX می گویند. این سوخت در فشار آب و حتی در دماهای بالا نیز پایدار است.

تهیه ی

استخراج و غنی سازی ایزوتوپ اورانیوم

پس از استخراج سنگ ها و کانی های اورانیوم دار از معدن، این مواد به صورت شیمیایی تحت واکنش قرار داده می شوند و بدین وسیله ماده ای حاصل می شود که دارای غلظتی متوسط است. این ماده ی فقیر از اورانیوم، کیک زرد نامیده می شود. کیک زرد سپس به اکسید ( ترکیب استاندارد اورانیوم در بازار جهانی) تبدیل می شود. اورانیوم طبیعی از دو ایزوتوپ اصلی تشکیل شده است( 0.71 % اورانیوم طبیعی را و بقیه ی آن است( سوختی است که باید غنی سازی گردد). این ضروری است که ایزوتوپ 235 را غنی سازی کرده تا بتوان شکافت هسته ای را در رآکتور انجام داد. این کار در فرانسه بوسیله ی نفوذ گازی انجام می شود( با واکنش های متوالی با اسید فلئوریک و سپس با فلورین، اورانیوم هگزافلئورید( ) تولید می شود.  ترکیبی است که در غنی سازی به حالت گازی مورد استفاده قرار می گیرد. در طی عبور مولکول های گاز از میان غشاهای متخلخل، مولکول های با وزن سبک تر که از ایزوتوپ 235 تشکیل شده اند، سریع تر حرکت می کنند. بنابرانی در انتهای غشاء نفوذی، ما ماده ای داریم که درصد هگزافلئورید اورانیوم متشکل از ایزوتوپ با وزن پایین تر در آن بیشتر است. این فرایند زمان زیادی را نیاز دارد تا بوسیله ی آن میزان مناسبی از غنی سازی انجام شود. برای رآکتورهای صنعتی که با این روش کار می کنند، ماکزیمم غنی سازی برای رآکتورهای آبی 4.5 % و برای رآکتورهای نوترون سریع 15-30 % است. پس از فاز غنی سازی، گاز  با استفاده از هیدرولیزابتدایی با آب، و کاهش با هیدروژن در دمای 850 درجه ی سانتیگراد، به پودر  تبدیل می شود. این رویه باعث می شود تا پودری نرم، با خلوص بالا و با مساحت سطح ویژه ی بالا( حدود چند متر بر گرم) حاصل گردد و بنابراین برای فرایند زینترینگ بسیار مناسب است.
این مفید است که بدانیم تحقیقات دیگری در زمینه ی تکنیک های مختلف مورد استفاده در این بخش انجام شده است زیرا هزینه ی غنی سازی با این روش نسبت به قیمت سوخت زیاد است. بنابراین غنی سازی ایزوتوپ با کمک لیزر انجام می شود. در این روش یونیزاسیون اتم های ماده ی دارای قابلیت شکافت هسته ای، در بخار اورانیوم انجام می شود. این فرایند به فرایند جداسازی ایزوتوپ اورانیوم با استفاده از لیزر بخار( AVLIS) معروف است. اگر چه تلاش های بسیاری در زمینه ی غنی سازی با این روش انجام شده است، اما مشکلات تکنیکی در زمینه ی توسعه ی صنعتی این روش هنوز هم وجود دارد. این مشکلات عمدتا از مواد بوجود می آیند. در واقع رفتار گرمایی و میانکنش بین اورانیوم مایع و فلزات دیرگداز از جمله مشکلات کار است.

تهیه ی قرص های

پودر  ابتدائا بوسیله ی پرس سرد شکل دهی می شود( در فشار حدود 400MPa) تا یک جسم اکسیدی با دانسیته ی حدود 6 گرم بر سانتیمتر مکعب حاصل شود. قرص های بدست آمده، سپس در هیدروژن خشک، زینتر می شوند( در داخل کوره های مداوم با دو نقطه ی حرارتی( یکی 700 درجه ی سانتیگراد برای پیش گرم کردن و دیگری 1700 درجه ی سانتیگراد برای زینترینگ)). پس از فرایند زینترینگ دانسیته به 95 % دانسیته ی تئوری می رسد( یعنی 10.96 گرم بر سانتیمتر). تخلخل باقی مانده به دلیل زینترینگ ناقص نیست. در واقع این تخلخل ها به منظور متعادل کردن تنش هایی است که به دلیل تشکیل عیوب و آزاد شدن گاز در حین انتشار، بوجود می آیند. این مسئله به دلیل بوجود آمدن دانه های پلیمری در خمیر سرامیکی خام بوجود می آید. پس از زینترینگ، اندازه ی دانه ی عموما بین 7 تا 10 میکرون است( شکل 3).
ضوابط طراحی المان های سوخت موجب می شود تا هندسه ی معینی برای قرص ها نیاز باشد، مخصوصا قطر آنها( این قطر باید باشد). هندسه ی این قرص ها رفتار گرمایی آنها را در طی انتشار نشان می دهد. دو سطح سیلندر باید اندکی خالی باشد به نحوی که انبساط حجمی ستون سوخت را خنثی کند. با در نظر گرفتن تراکم غیر هموژن در طی زینترینگ، فرایند سایش برای بدست آوردن قطر مناسب برای قرص ها ضروری است. این فرایند سایش به سادگی حاصل نمی شود و نیازمند استفاده از گل سایش و اعمال فرایند سایش در چندین سیکل است. این مرحله از ساخت فرایند تولید MOX را مختل نموده است. پیشرفت های زیادی در زمینه ی یادگیری مکانیزم زینترینگ و سایش این مواد، مورد نیاز است. با مطالعه ی این موارد می توان قطعاتی با دقت ابعادی بالاتر تولید نمود و از این طریق صرفه جویی اقتصادی انجام داد.

مشکلات خاص در زمینه ی سوخت MOX

پلوتونیوم تابنده ی پرتوی است. از این رو فرایند ساخت سوخت بر پایه ی پلوتونیوم باید به طور کامل در داخل بخش های محافظتی( glove boxes) انجام شود. برای کاهش عملیات های مخلوط کردن و آسیاب کاری پودر اکسیدهای و  ، فرایندی به نام MIMAS در دو مرحله توسعه داده شده است. در این فرایند ابتدا یک مخلوط اولیه بدست می آید که دارای مقادیر کمی از اکسید است( حدود 30%). این مخلوط سپس به صورت سنگ دانه هایی با قطر متوسط 30 میکرون( که در آن درصد سنگ دانه های دارای قطر 100 میکرون بیشتر است)، به داخل زمینه ای از اضافه می شود( شکل 4).
با این کار یک گستره ی تغییراستحکام میان 2 تا 8 % استحکام پلوتونیوم را می توان بدست آورد. اثر قابل توجه این حالت آماده سازی در محل نفوذ در این آمیزه است که بنابراین بر روی ریزساختار نهایی اثر می گذارد و منجر می شود تا سرعت احتراق بسیار بالایی( حدود 3 برابر سرعت متوسط قرص ها) حاصل شود. ما در مورد این مسئله در بخش های بعدی بیشتر صحبت می کنیم.

 

/ 0 نظر / 217 بازدید