Это накопление водорода было результатом контакта горячего пара с перегретыми ядерными топливными стержнями, покрытыми оболочкой из циркониевого сплава, или «циркалоя» — материала, используемого в качестве оболочки твэлов во всех ядерных реакторах с водяным охлаждением, которые составляют больше более 90 процентов энергетических реакторов в мире. Когда он становится достаточно горячим, циркалой реагирует с паром с образованием водорода, что представляет опасность при любой ядерной аварии с потерей теплоносителя.
Команда исследователей из Массачусетского технологического института разрабатывает альтернативу, которая могла бы обеспечить аналогичную защиту ядерного топлива, уменьшая при этом риск производства водорода примерно в тысячу раз. Испытания нового материала оболочки, керамического компаунда, называемого карбидом кремния (SiC), описаны в серии статей, опубликованных в журнале Nuclear Technology.«Мы смотрим со всех сторон на вопрос о замене металлической облицовки керамической», — говорит Муджид Казими, профессор ядерной инженерии TEPCO в Массачусетском технологическом институте, который является старшим автором статей. По словам Казими, из-за суровых условий окружающей среды тепловыделяющие стержни подвергаются воздействию тепла, пара и нейтронов, возникающих в результате ядерных реакций.
Он добавляет, что SiC «очень многообещающе, но пока не готов к внедрению» в ядерной отрасли.Другие группы предложили использовать SiC для облицовки, но этот материал никогда не подвергался детальным испытаниям и моделированию, которые проводила группа MIT. Казими и его коллеги проверили реакцию материала не только в нормальных условиях эксплуатации, с температурой 300 градусов по Цельсию (572 градуса по Фаренгейту), но и в более экстремальных условиях аварии, с температурами до 1500 C (2732 F).
Ядерные топливные стержни состоят из сотен небольших таблеток обогащенного урана, размещенных встык внутри полых трубок из циркалоя диаметром около полдюйма. Трубки заполнены инертным газообразным гелием для улучшения теплопроводности от таблеток к оболочке, которая охлаждается водой, циркулирующей вне трубок.
Эти трубы затем упаковываются вместе в пучки, которые вставляются в активную зону реактора, где они нагревают воду для производства пара, который приводит в действие турбогенератор для производства электроэнергии.Чтобы протестировать SiC-оболочку в нормальных условиях эксплуатации, команда MIT использовала трехслойную конструкцию оболочки, в которой средний слой состоит из композитных волокон SiC, армированных большим количеством SiC. Трубки были испытаны внутри исследовательского реактора Массачусетского технологического института в специальных контурах, которые воспроизводят температуру теплоносителя и химические условия в реакторах большой мощности.Аппарат для облучения был разработан научным сотрудником Массачусетского технологического института Дэвидом Карпентером и инженером-исследователем Гордоном Козе.
Эффекты облучения изучали аспирант Джон Стемпиен и другие, работая с Казими. По словам Стемпьена, результаты показали хорошее сохранение прочности во время механических испытаний.Аспирант Юхо Ли и научный сотрудник Том МакКрелл провели исследования высокотемпературного окисления SiC. В экстремальных условиях аварии скорость коррозии была в 100–1000 раз меньше, чем у циркалоя.
В то время как циркалой теряет прочность при повышении температуры — он становится на 2% слабее на каждые 10 ° C повышения температуры и теряет всю прочность примерно при 1300 ° C, — говорит Стемпиен, — прочность керамики SiC остается практически постоянной до температур значительно выше 1500 ° C.По словам Казими, потенциальные преимущества облицовки из карбида кремния выходят за рамки снижения риска аварии. Поскольку SiC медленно реагирует с водой, даже при нормальных условиях он меньше разлагается и может дольше оставаться в активной зоне реактора.
Это могло бы позволить операторам реакторов выжать из топливных стержней дополнительную энергию перед перегрузкой топлива: стержни обычно заменяют через четыре или пять лет в реакторе, и разрушение оболочки является основным ограничением их долговечности.Кроме того, возможность дольше оставлять топливные стержни на месте уменьшит количество отработавшего топлива, производимого каждым реактором, что приведет к уменьшению объема для захоронения, говорит Казими.Предстоит провести дальнейшие испытания: в частности, в то время как концы циркалоевых трубок могут быть закрыты путем приваривания металлического диска к каждому концу, керамика не может быть приварена, поэтому необходимо будет найти подходящий связующий агент. «Нам необходимо соединить керамику с керамикой таким образом, чтобы выдержать условия в ядерной зоне», — говорит Казими. «Это не такая совершенная наука, как для металлов».
Другие детали, такие как оптимальная толщина трубок для долговечности и теплопередачи, также должны быть определены.Кроме того, необходимо провести дополнительные испытания материала, чтобы определить его реакцию на различные нагрузки. «Поведение излома другое», — говорит соавтор Ли.
В частности, в то время как металл предсказуемо деформируется под давлением, керамика имеет тенденцию к разрушению "более статистически", — говорит он: это можно предсказать только как статистическую вероятность определенных видов отказа.