De ce este folosit aluminiul în reactoare nucleare
Aluminiul a fost primul metal structural folosit în interiorul unui reactor nuclear și rămâne un cal de bătaie pentru mașinile de cercetare și testare. Motivul este mai degrabă neutronic decât mecanic: secțiunea transversală-de absorbție a neutronilor termici a aluminiului este de aproximativ 0,23 hambare, astfel încât componentele din aluminiu instalate în apropierea miezului consumă foarte puțini neutroni în comparație cu oțelul inoxidabil. Ansamblurile critice timpurii, cum ar fi Chicago Pile-1 din 1942, foloseau combustibil placat cu aluminiu tocmai din acest motiv.
Absorbția scăzută de neutroni paraziți menține inventarul de combustibil necesar pentru criticitate modest.
Conductivitate termică ridicată, aproape de 237 W/mK, transferă eficient căldura din plăcile de combustibil în lichidul de răcire.
Densitatea scăzută de 2,70 g/cm3 permite elemente de combustibil ușoare și ușor de manevrat și instalații de iradiere.
Compatibilitate bună cu combustibilul cu uraniu în sistemele de răcire cu apă{0}}sub aproximativ 200 de grade .
Fabricabilitate excelentă în plăci subțiri, canale și tuburi cu pereți subțiri{0}.
Atribuțiile interne ale reactorului și ale componentelor
În interiorul unui reactor de cercetare, aluminiul apare în patru clase principale de sarcini: placarea și ramele elementelor de combustibil, instalațiile de iradiere și producție de izotopi, tubul de fascicul și hardware-ul reflectorului și conductele de răcire plus rezervorul în secțiunile-de temperatură scăzută ale buclei. 6061-extrudurile T6 sunt calitatea structurală implicită, în timp ce placarea și acoperirea tuburilor 11505 sunt standard.
Transparența neutronilor face, de asemenea, aluminiul util pentru componentele care trebuie să se afle cel mai aproape de pozițiile de experiment, unde orice structură de oțel ar reduce fluxul disponibil. Instrumentele din interiorul tuburilor de fascicul și instalațiile tangenţiale utilizează în mod regulat cadre de sprijin din aluminiu din acest motiv.
Aluminiu ca placare de combustibil
Elementele de combustibil de tip plăci-domină reactoarele de cercetare. O carne de combustibil cu dispersie de uraniu-aluminiu sau siliciu de uraniu este lipită prin rulare între plăci de acoperire din aliaj de aluminiu, apoi formată în plăci curbe sau plate asamblate într-un element cutie. Straturile subțiri de oxid formează o barieră de protecție în sistemele răcite cu apă-, iar placarea ține produsele de fisiune departe de lichidul de răcire primar.
| Aliaj | Densitate (g/cm3) | Sarcina tipică a reactorului |
|---|---|---|
| 1100 (aproximativ 99% Al) | 2.71 | Placă cu temperatură scăzută, hardware cu activare scăzută |
| 6061-T6 (Al-Mg-Si) | 2.70 | Cadre structurale, carcase elemente, conducte |
| 5052 (Al-Mg) | 2.68 | Tub lichid de răcire, rezervoare, fabricație generală |
| Note Al-Ni-Fe | 2.72 | Placarea dezvoltată pentru serviciul de testare la temperaturi mai ridicate |
| Pulbere de aluminiu sinterizat | 2.70 | Componente-întărite cu dispersie la temperatură înaltă- |
Mai degrabă etanșeitatea la scurgeri-decât rezistența determină designul îmbrăcămintei. Calitatea legăturii dintre carnea combustibilă și placa de acoperire este verificată prin inspecție cu ultrasunete în timpul producției, iar elementele finite sunt verificate pentru toleranța dimensională și defecte de suprafață înainte de încărcare.
Limitările aluminiului în aplicațiile nucleare
Temperatura stabilește prima limită rigidă. Aliajele de aluminiu depășesc și își pierd rezistența peste aproximativ 150 de grade, ceea ce le exclude din circuitele primare de răcire ale reactoarelor de putere, unde sunt utilizate în schimb oțel inoxidabil și aliaje de zirconiu. Coroziunea apei devine semnificativă odată cu creșterea temperaturii și este necesar un control precis al chimiei apei pentru a suprima atacul de găuri pe suprafața acoperită.
Iradierea adaugă un al doilea set de limite. La o fluență mare de neutroni, aluminiul suferă umflarea golului, creșterea și fragilizarea, în timp ce reacțiile de transmutare generează siliciu și heliu în interiorul metalului. Activarea este severă, dar de scurtă durată, deoarece captarea neutronilor produce sodiu-24 cu un timp de înjumătățire de 15-ore, astfel încât hardware-ul din aluminiu devine manipulabil după o perioadă scurtă de degradare, mai degrabă decât să necesite manipulare de la distanță pe termen lung.
Dezafectarea și reciclarea feroneriei din aluminiu
Retragerea unui reactor de cercetare sau a unei bucle de testare produce un flux definit de aluminiu: hardware-ul elementelor de combustibil deja gestionat ca material iradiat, plus structuri cu activitate redusă-, cum ar fi rezervoare, conducte și cadre de platformă. Metalul cu activitate redusă este examinat, degradat depozitat și apoi topit pentru reutilizare limitată, adesea transformat ca blocuri de protecție, în timp ce topirea recuperează mai mult de 95% din aluminiul curat. Rafinarea prin topire și electrorafinarea separă aluminiul de contaminarea mai grea, iar contabilitatea strictă a materialelor păstrează fracțiile activate în interiorul rutelor de deșeuri autorizate.
Întrebări frecvente
Î: De ce este folosit aluminiul în componentele reactorului nuclear?
Deoarece secțiunea transversală-de absorbție a neutronilor termici este de numai aproximativ 0,23 barni, ceea ce menține pierderile de reactivitate scăzute și pentru că conductivitatea sa termică ridicată îmbunătățește îndepărtarea căldurii de pe plăcile de combustibil la lichid de răcire.
Î: Care sunt principalele limitări ale aluminiului în aplicațiile nucleare?
Aliajele își pierd rezistența peste aproximativ 150 de grade, coroziunea apei se accelerează la temperatură ridicată și o influență mare a neutronilor provoacă umflare și fragilizare. Reactoarele de putere folosesc în schimb aliaje de zirconiu.
Î: Cum funcționează aluminiul ca placare pentru combustibil nuclear?
Funcționează cu mult sub aproximativ 200 de grade, formând un oxid de protecție subțire în sistemele răcite cu apă-. Necesită chimie controlată a apei pentru a preveni picking și nu este potrivită pentru combustibilul comercial pentru reactoare de putere.
Î: Ce aliaje de aluminiu sunt comune în sistemele nucleare?
6061-T6 pentru componente structurale, 1100 pentru placare la temperatură joasă{-, 5052 pentru conducte și rezervoare, grade Al{-Ni-Fe pentru testare mai caldă și pulbere de aluminiu sinterizat acolo unde este necesară rezistența la dispersie.
Î: Cum este reciclat aluminiul din reactoarele scoase din funcțiune?
Hardware-ul activat este stocat în degradare pentru a lăsa produsele cu durată scurtă de viață, cum ar fi sodiul-24, să dispară, apoi analizate și topite. Topirea recuperează mai mult de 95% din metalul curat, iar aluminiul cu activitate scăzută este adesea turnat în blocuri de ecranare.
Î: Activarea aluminiului contează pentru lucrările de întreținere?
Da, dar doar pe scurt. Sodiul-24 are o durată de-înjumătățire de aproximativ 15 ore, astfel încât componentele din aluminiu devin accesibile după o perioadă scurtă de răcire, spre deosebire de componentele care conțin produse de activare cu durată lungă de viață.
