Prečo sa hliník používa v jadrových reaktoroch
Hliník bol prvým konštrukčným kovom použitým vo vnútri jadrového reaktora a zostáva ťažným koňom pre výskumné a testovacie stroje. Dôvodom je skôr neutrónový ako mechanický: prierez absorpcie tepelných neutrónov- hliníka je približne 0,23 barna, takže hliníkové komponenty inštalované v blízkosti jadra spotrebujú v porovnaní s nehrdzavejúcou oceľou veľmi málo neutrónov. Prvé kritické montáže, ako napríklad Chicago Pile-1 v roku 1942, používali palivo potiahnuté hliníkom presne z tohto dôvodu.
Nízka absorpcia parazitných neutrónov udržuje zásoby paliva potrebné pre kritickosť skromné.
Vysoká tepelná vodivosť takmer 237 W/mK efektívne prenáša teplo z palivových platní do chladiacej kvapaliny.
Nízka hustota 2,70 g/cm3 umožňuje ľahké, ľahko ovládateľné palivové články a ožarovacie súpravy.
Dobrá kompatibilita s uránovým palivom vo vodou-chladených systémoch pod asi 200 stupňov .
Vynikajúca spracovateľnosť na tenké dosky, kanály a tenkostenné-rúry.
Vnútorné časti reaktora a povinnosti komponentov
Vo výskumnom reaktore sa hliník vyskytuje v štyroch hlavných triedach prevádzky: opláštenie a rámy palivových článkov, zariadenia na ožarovanie a výrobu izotopov, lúčová trubica a hardvér reflektora a chladiace potrubie plus nádrž v nízkoteplotných sekciách slučky. 6061-T6 sú predvolenou konštrukčnou triedou, zatiaľ čo 1100 rúrkový plech a 5052 plášťové potrubie.
Neutrónová transparentnosť tiež robí hliník užitočným pre komponenty, ktoré musia sedieť najbližšie k experimentálnym pozíciám, kde by akákoľvek oceľová konštrukcia znížila dostupný tok. Prístroje vo vnútri lúčových trubíc a tangenciálnych zariadení z tohto dôvodu pravidelne používajú hliníkové podporné rámy.
Hliník ako palivový plášť
Vo výskumných reaktoroch dominujú doskové-palivové články. Uránový-hliník alebo palivo z disperzie silicidu uránu sa valcovaním spojí medzi krycie dosky z hliníkovej zliatiny a potom sa vytvarujú do zakrivených alebo plochých dosiek zostavených do krabicového prvku. Tenké oxidové vrstvy tvoria ochrannú bariéru vo vodou-chladených systémoch a plášť chráni štiepne produkty mimo primárneho chladiva.
| Zliatina | Hustota (g/cm3) | Typická prevádzka reaktora |
|---|---|---|
| 1100 (asi 99 % Al) | 2.71 | Nízko{0}}teplotné opláštenie, nízko{1}}aktivačný hardvér |
| 6061-T6 (Al-Mg-Si) | 2.70 | Konštrukčné rámy, telesá prvkov, potrubia |
| 5052 (Al-Mg) | 2.68 | Chladiaca trubica, nádrže, všeobecná výroba |
| Známky Al-Ni-Fe | 2.72 | Obloženie vyvinuté pre testovanie pri vyšších teplotách |
| Spekaný hliníkový prášok | 2.70 | Disperzné-vysokoteplotné{1}}komponenty zosilnené |
Dizajn plášťa určuje-tesnosť, nie pevnosť. Kvalita spojenia medzi palivovým mäsom a krycou doskou sa overuje ultrazvukovou kontrolou počas výroby a hotové prvky sa pred vložením kontrolujú na rozmerovú toleranciu a povrchové chyby.
Obmedzenia hliníka v jadrových aplikáciách
Teplota nastavuje prvý pevný limit. Zliatiny hliníka prestarnú a stratia pevnosť nad 150 stupňov, čo ich vylučuje z primárnych chladiacich okruhov energetických reaktorov, kde sa namiesto nich používa nehrdzavejúca oceľ a zliatiny zirkónu. Vodná korózia sa stáva výraznou so zvyšujúcou sa teplotou a je potrebná presná chemická kontrola vody na potlačenie bodového napadnutia na plátovanom povrchu.
Ožarovanie pridáva druhý súbor limitov. Pri vysokej fluencii neutrónov hliník napučiava, rastie a krehne, zatiaľ čo transmutačné reakcie vytvárajú vo vnútri kovu kremík a hélium. Aktivácia je závažná, ale krátkodobá, pretože zachytávanie neutrónov produkuje sodík-24 s 15{5}}hodinovým polčasom rozpadu, takže hliníkový hardvér sa stáva ovládateľným po krátkej dobe rozpadu a nevyžaduje si dlhodobú diaľkovú manipuláciu.
Vyraďovanie a recyklácia hliníkového hardvéru
Vyradenie výskumného reaktora alebo testovacej slučky vytvára definovaný prúd hliníka: hardvér palivových článkov, ktorý je už spravovaný ako ožiarený materiál, plus nízko{0}}aktívne štruktúry, ako sú nádrže, potrubia a rámy vrtných súprav. Nízkoaktívny kov sa skúma, rozkladá sa a potom sa roztaví na obmedzené opätovné použitie, často sa pretaví ako tieniace bloky, pričom tavením sa získa viac ako 95 % čistého hliníka. Rafinácia taveninou a elektrorafinácia oddeľujú hliník od ťažšej kontaminácie a prísna evidencia materiálu udržuje aktivované frakcie v licencovaných odpadových cestách.
Často kladené otázky
Otázka: Prečo sa hliník používa v komponentoch jadrových reaktorov?
Pretože jeho prierez absorpcie tepelných neutrónov-je len asi 0,23 barna, čo udržuje straty reaktivitou nízke, a pretože jeho vysoká tepelná vodivosť zlepšuje odvod tepla z palivových platní do chladiacej kvapaliny.
Otázka: Aké sú hlavné obmedzenia hliníka v jadrových aplikáciách?
Zliatiny strácajú pevnosť nad asi 150 stupňov, vodná korózia sa zrýchľuje pri zvýšenej teplote a vysoká fluencia neutrónov spôsobuje opuch a krehnutie. Energetické reaktory preto namiesto toho používajú zliatiny zirkónu.
Otázka: Ako hliník funguje ako plášť jadrového paliva?
Funguje výrazne pod teplotou približne 200 stupňov a vo vodou chladených-systémoch vytvára tenký ochranný oxid. Vyžaduje kontrolovanú chémiu vody, aby sa zabránilo vzniku jamkovej jamky, a nie je vhodné pre komerčné palivo pre energetické reaktory.
Otázka: Ktoré hliníkové zliatiny sú bežné v jadrových systémoch?
6061-T6 pre konštrukčné komponenty, 1100 pre nízkoteplotné opláštenie, 5052 pre potrubia a nádrže, triedy Al-Ni-Fe pre teplejšie testovacie služby a spekaný hliníkový prášok tam, kde sa vyžaduje sila disperzie.
Otázka: Ako sa recykluje hliník z vyradených reaktorov?
Aktivovaný hardvér sa ukladá, aby sa produkty s krátkou životnosťou, ako napríklad sodík-24, nechali odumrieť, potom sa skúmajú a roztavia. Tavením sa získa viac ako 95 % čistého kovu a nízkoaktívny hliník sa často pretavuje do tieniacich blokov.
Otázka: Má aktivácia hliníka význam pre údržbárske práce?
Áno, ale len krátko. Sodium-24 má polčas-životnosti približne 15 hodín, takže hliníkové komponenty sú prístupné po krátkej dobe ochladenia, na rozdiel od komponentov obsahujúcich aktivačné produkty s dlhou životnosťou.
