Kāpēc alumīnijs tiek izmantots kodolreaktoros
Alumīnijs bija pirmais strukturālais metāls, ko izmantoja kodolreaktorā, un tas joprojām ir pētniecības un izmēģinājumu iekārtu darba zirgs. Iemesls ir drīzāk neitronis, nevis mehānisks: alumīnija termiskās neitronu absorbcijas šķērsgriezums- ir aptuveni 0,23 barni, tāpēc alumīnija komponenti, kas uzstādīti serdeņa tuvumā, patērē ļoti maz neitronu, salīdzinot ar nerūsējošo tēraudu. Agrīnās kritiskās iekārtas, piemēram, Chicago Pile{6}}1 1942. gadā, izmantoja ar alumīniju pārklātu degvielu tieši šī iemesla dēļ.
Zema parazitāro neitronu absorbcija nodrošina, ka degvielas krājumi, kas nepieciešami kritiskumam, ir pieticīgi.
Augsta siltumvadītspēja tuvu 237 W/mK efektīvi pārvieto siltumu no degvielas plāksnēm dzesēšanas šķidrumā.
Zemais blīvums 2,70 g/cm3 nodrošina vieglus, viegli lietojamus degvielas elementus un apstarošanas iekārtas.
Laba savietojamība ar urāna degvielu ūdens -dzesētās sistēmās zem aptuveni 200 grādiem.
Lieliska izgatavojamība plānās plāksnēs, kanālos un plānās{0}}sienu caurulēs.
Reaktora iekšējie un komponentu pienākumi
Pētniecības reaktorā alumīnijs tiek izmantots četrās galvenajās darbības klasēs: degvielas elementu apšuvums un rāmji, apstarošanas un izotopu ražošanas iekārtas, staru caurules un atstarotāja aparatūra un dzesēšanas šķidruma cauruļvadi, kā arī tvertne zemas{0}}temperatūras cilpas daļās. 6061-T6 ekstrūzijas ir noklusējuma konstrukcijas pakāpe, savukārt 1100. cauruļvadu apvalks un apvalks5.
Neitronu caurspīdīgums padara alumīniju noderīgu arī komponentiem, kuriem jāatrodas vistuvāk eksperimenta pozīcijām, kur jebkura tērauda konstrukcija samazinātu pieejamo plūsmu. Šī iemesla dēļ instrumenti staru caurulēs un tangenciālās iekārtās regulāri izmanto alumīnija atbalsta rāmjus.
Alumīnijs kā degvielas apšuvums
Pētniecības reaktoros dominē plāksnes -tipa degvielas elementi. Urāna-alumīnija vai urāna silicīda dispersijas degvielas gaļa tiek velmēta starp alumīnija sakausējuma pārklājuma plāksnēm, pēc tam tiek veidota izliektās vai plakanās plāksnēs, kas samontētas kastes elementā. Plānie oksīda slāņi veido aizsargbarjeru ūdens-dzesētās sistēmās, un apšuvums neļauj dalīšanās produktiem nonākt primārajā dzesēšanas šķidrumā.
| Sakausējums | Blīvums (g/cm3) | Tipisks reaktora darbs |
|---|---|---|
| 1100 (apmēram 99% Al) | 2.71 | Zemas-temperatūras apšuvums, zemas-aktivizācijas aparatūra |
| 6061-T6 (Al-Mg-Si) | 2.70 | Strukturālie karkasi, elementu korpusi, cauruļvadi |
| 5052 (Al-Mg) | 2.68 | Dzesēšanas šķidruma caurule, tvertnes, vispārējā ražošana |
| Al-Ni-Fe atzīmes | 2.72 | Apšuvums izstrādāts augstākas temperatūras pārbaudes pakalpojumam |
| Saķepināts alumīnija pulveris | 2.70 | Dispersijas{0}}stiprinātas augstas temperatūras{1}}komponentes |
Necaurlaidība{0}}nevis stiprība nosaka apšuvuma dizainu. Saites kvalitāte starp degvielas gaļu un pārklājuma plāksni tiek pārbaudīta ar ultraskaņas pārbaudi ražošanas laikā, un gatavie elementi tiek pārbaudīti attiecībā uz izmēru pielaidi un virsmas defektiem pirms iekraušanas.
Alumīnija ierobežojumi kodolenerģijas lietojumos
Temperatūra nosaka pirmo stingro robežu. Alumīnija sakausējumi pārtērē un zaudē izturību virs aptuveni 150 grādiem, kas tos izslēdz no primārās dzesēšanas šķidruma ķēdēm spēka reaktoros, kuru vietā tiek izmantots nerūsējošais tērauds un cirkonija sakausējumi. Ūdens korozija kļūst nozīmīga, paaugstinoties temperatūrai, un ir nepieciešama precīza ūdens ķīmijas kontrole, lai novērstu plaķētās virsmas rašanos.
Apstarošana pievieno otru ierobežojumu kopumu. Pie lielas neitronu plūsmas alumīnijs tiek pakļauts tukšai uzbriestībai, augšanai un trauslumam, savukārt transmutācijas reakcijas rada silīciju un hēliju metāla iekšpusē. Aktivizācija ir smaga, bet īslaicīga, jo neitronu uztveršana rada nātriju-24 ar 15-stundu pussabrukšanas periodu, tāpēc alumīnija aparatūra kļūst lietojama pēc īsa sabrukšanas perioda, nevis nepieciešama ilgstoša attāla apstrāde.
Alumīnija aparatūras ekspluatācijas pārtraukšana un pārstrāde
Pētniecības reaktora vai testa cikla darbības pārtraukšana rada noteiktu alumīnija plūsmu: degvielas elementu aparatūru, kas jau tiek pārvaldīta kā apstarots materiāls, kā arī zemas -aktivitātes struktūras, piemēram, tvertnes, cauruļvadi un platformas rāmji. Zemas -aktivitātes metāls tiek apsekots, sabrukšanas uzglabāts un pēc tam izkausēts ierobežotai atkārtotai izmantošanai, bieži tiek pārstrādāts kā aizsargbloki, savukārt kausējot tiek atgūti vairāk nekā 95% tīrā alumīnija. Kausējuma rafinēšana un elektrorafinēšana atdala alumīniju no smagāka piesārņojuma, un stingra materiālu uzskaite saglabā aktīvās frakcijas licencētos atkritumu maršrutos.
Bieži uzdotie jautājumi
J: Kāpēc alumīniju izmanto kodolreaktora komponentos?
Tā kā tā termiskās neitronu absorbcijas šķērsgriezums{0}} ir tikai aptuveni 0,23 barni, kas samazina reaktivitātes zudumus, un tā augstā siltumvadītspēja uzlabo siltuma novadīšanu no degvielas plāksnēm uz dzesēšanas šķidrumu.
J: Kādi ir galvenie alumīnija ierobežojumi kodolenerģijas lietojumos?
Sakausējumi zaudē izturību virs aptuveni 150 grādiem, paaugstinātā temperatūrā paātrina ūdens korozija, un augsta neitronu plūsma izraisa pietūkumu un trauslumu. Tāpēc jaudas reaktoros tā vietā tiek izmantoti cirkonija sakausējumi.
J: Kā alumīnijs darbojas kā kodoldegvielas apšuvums?
Tas darbojas krietni zem aptuveni 200 grādiem, veidojot plānu aizsargājošu oksīdu ar ūdeni{1}}dzesētās sistēmās. Tam nepieciešama kontrolēta ūdens ķīmija, lai novērstu bedrīšu veidošanos, un tas nav piemērots komerciālai energoreaktoru degvielai.
J: Kuri alumīnija sakausējumi ir izplatīti kodolsistēmās?
6061-T6 konstrukcijas komponentiem, 1100 zemas-temperatūras apšuvumam, 5052 cauruļvadiem un tvertnēm, Al-Ni-Fe markas karstākam testēšanas darbam un saķepināts alumīnija pulveris, kur nepieciešama dispersijas izturība.
J: Kā alumīnijs tiek pārstrādāts no ekspluatācijas pārtraukšanas reaktoriem?
Aktivizētā aparatūra tiek uzglabāta, lai ļautu īstermiņa-produktiem, piemēram, nātrija-24 nomirt, pēc tam tos apseko un izkausē. Kausējot tiek atgūti vairāk nekā 95% tīra metāla, un zemas aktivitātes alumīnijs bieži tiek pārliets ekranēšanas blokos.
J: Vai alumīnija aktivizēšana ir svarīga apkopes darbiem?
Jā, bet tikai īsi. Nātrija-24 pussabrukšanas periods ir aptuveni 15 stundas, tāpēc alumīnija komponenti kļūst pieejami pēc īsa dzesēšanas perioda, atšķirībā no komponentiem, kas satur ilgstošus aktivizācijas produktus.
