อะลูมิเนียมในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์: ภายใน การหุ้ม และขีดจำกัดการบริการ

เหตุใดจึงใช้อะลูมิเนียมในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์

อะลูมิเนียมเป็นโลหะโครงสร้างชนิดแรกที่ใช้ภายในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ และยังคงเป็นเครื่องมือสำหรับการวิจัยและทดสอบเครื่องจักร เหตุผลก็คือนิวทรอนิกไม่ใช่เชิงกล: ส่วนตัดขวางการดูดกลืนนิวตรอนความร้อน-ของอะลูมิเนียมมีค่าประมาณ 0.23 โรง ดังนั้นส่วนประกอบอะลูมิเนียมที่ติดตั้งใกล้กับแกนกลางจึงใช้นิวตรอนน้อยมากเมื่อเทียบกับสแตนเลส การประกอบที่สำคัญในช่วงแรกๆ เช่น Chicago Pile-1 ในปี 1942 ใช้เชื้อเพลิงหุ้มอะลูมิเนียมด้วยเหตุผลดังกล่าว

การดูดซับนิวตรอนปรสิตต่ำทำให้ปริมาณเชื้อเพลิงที่จำเป็นสำหรับการวิกฤตอยู่ในระดับปานกลาง

ค่าการนำความร้อนสูงใกล้ 237 W/mK ถ่ายเทความร้อนจากแผ่นเชื้อเพลิงไปยังน้ำหล่อเย็นได้อย่างมีประสิทธิภาพ

ความหนาแน่นต่ำเพียง 2.70 g/cm3 ช่วยให้องค์ประกอบเชื้อเพลิงและแท่นขุดเจาะการฉายรังสีมีน้ำหนักเบา จัดการได้ง่าย

เข้ากันได้ดีกับเชื้อเพลิงยูเรเนียมในน้ำ-ระบบระบายความร้อนที่อุณหภูมิต่ำกว่า 200 องศา

ความสามารถในการขึ้นรูปที่ดีเยี่ยมบนแผ่นบาง ช่อง และท่อที่มีผนังบาง-

หน้าที่ภายในเครื่องปฏิกรณ์และส่วนประกอบ

ภายในเครื่องปฏิกรณ์เพื่อการวิจัย อะลูมิเนียมปรากฏในหน้าที่หลักสี่ประเภท ได้แก่ การหุ้มและเฟรมองค์ประกอบเชื้อเพลิง การฉายรังสีและแท่นผลิตไอโซโทป ท่อลำแสงและฮาร์ดแวร์ตัวสะท้อนแสง และท่อน้ำหล่อเย็นบวกการแท้งค์ในส่วนอุณหภูมิต่ำ-ส่วนอุณหภูมิของลูป. 6061-การอัดขึ้นรูป T6 เป็นเกรดโครงสร้างเริ่มต้น ในขณะที่หน้าที่การหุ้มและท่อที่หุ้มฝาท่อ 1100 แผ่นและ 5052

ความโปร่งใสของนิวตรอนยังทำให้อะลูมิเนียมมีประโยชน์สำหรับส่วนประกอบที่ต้องนั่งใกล้กับตำแหน่งการทดลองมากที่สุด ซึ่งโครงสร้างเหล็กจะลดฟลักซ์ที่มีอยู่ลง อุปกรณ์ภายในท่อลำแสงและสิ่งอำนวยความสะดวกในแนวสัมผัสมักใช้โครงรองรับอะลูมิเนียมด้วยเหตุผลนี้

อลูมิเนียมเป็นเชื้อเพลิงหุ้ม

ส่วนประกอบเชื้อเพลิงประเภทเพลต-มีอิทธิพลเหนือเครื่องปฏิกรณ์เพื่อการวิจัย เนื้อเชื้อเพลิงกระจายตัวของยูเรเนียม-อะลูมิเนียมหรือซิลิไซด์ยูเรเนียมถูกม้วนเข้าด้วยกันระหว่างแผ่นปิดโลหะผสมอลูมิเนียม จากนั้นขึ้นรูปเป็นแผ่นโค้งหรือแบนประกอบเป็นชิ้นส่วนกล่อง ชั้นออกไซด์บาง ๆ จะสร้างเกราะป้องกันในระบบระบายความร้อนด้วยน้ำ- และการหุ้มจะป้องกันผลิตภัณฑ์จากฟิชชันจากสารหล่อเย็นปฐมภูมิ

การรั่วไหล-ความรัดกุมมากกว่าความแข็งแกร่งเป็นตัวขับเคลื่อนการออกแบบของชุดหุ้ม คุณภาพการยึดเกาะระหว่างเนื้อเชื้อเพลิงและแผ่นปิดได้รับการตรวจสอบโดยการตรวจสอบด้วยคลื่นเสียงความถี่สูงในระหว่างการผลิต และองค์ประกอบที่เสร็จแล้วจะได้รับการตรวจสอบความทนทานต่อมิติและข้อบกพร่องที่พื้นผิวก่อนการบรรจุ

ข้อจำกัดของอะลูมิเนียมในการใช้งานนิวเคลียร์

อุณหภูมิจะกำหนดขีดจำกัดฮาร์ดแรก อลูมิเนียมอัลลอยด์มีอายุเกินและสูญเสียความแข็งแรงเกินประมาณ 150 องศา ซึ่งทำให้พวกมันไม่รวมอยู่ในวงจรสารหล่อเย็นปฐมภูมิของเครื่องปฏิกรณ์พลังงาน ซึ่งใช้เหล็กกล้าไร้สนิมและโลหะผสมเซอร์โคเนียมแทน การกัดกร่อนของน้ำมีความสำคัญเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น และจำเป็นต้องมีการควบคุมเคมีของน้ำอย่างแม่นยำเพื่อยับยั้งการโจมตีแบบรูพรุนบนพื้นผิวที่หุ้ม

การฉายรังสีจะเพิ่มขีดจำกัดชุดที่สอง ที่อะลูมิเนียมฟลูเอนซ์นิวตรอนสูงจะเกิดการบวม การเติบโต และการเปราะเป็นโมฆะ ในขณะที่ปฏิกิริยาการเปลี่ยนรูปจะทำให้เกิดซิลิคอนและฮีเลียมภายในโลหะ การเปิดใช้งานนั้นรุนแรงแต่มีอายุสั้น เนื่องจากการดักจับนิวตรอนจะผลิตโซเดียม-24 โดยมีครึ่งชีวิต 15- ชั่วโมง ดังนั้น ฮาร์ดแวร์อะลูมิเนียมจึงสามารถจัดการได้หลังจากช่วงการสลายตัวสั้นๆ แทนที่จะต้องใช้การจัดการจากระยะไกลในระยะยาว

การรื้อถอนและการรีไซเคิลฮาร์ดแวร์อลูมิเนียม

การเลิกใช้เครื่องปฏิกรณ์เพื่อการวิจัยหรือวงทดสอบทำให้เกิดกระแสอะลูมิเนียมที่กำหนดไว้: ฮาร์ดแวร์องค์ประกอบเชื้อเพลิงได้รับการจัดการแล้วในฐานะวัสดุฉายรังสี บวกกับโครงสร้างที่มีฤทธิ์ต่ำ- เช่น ถังเก็บ ท่อและโครงแท่นขุดเจาะ มีการสำรวจโลหะที่มีฤทธิ์ต่ำ- จัดเก็บการสลายตัวแล้วหลอมลงเพื่อนำกลับมาใช้ใหม่อย่างจำกัด ซึ่งมักจะหล่อใหม่เป็นบล็อกป้องกัน ในขณะที่การถลุงจะนำอะลูมิเนียมที่สะอาดกลับมามากกว่า 95% การกลั่นแบบละลายและการกลั่นด้วยไฟฟ้าจะแยกอลูมิเนียมจากการปนเปื้อนที่หนักกว่า และบัญชีวัสดุที่เข้มงวดเพื่อเก็บเศษส่วนที่เปิดใช้งานไว้ในเส้นทางของเสียที่ได้รับอนุญาต

คำถามที่พบบ่อย

ถาม: เหตุใดจึงใช้อะลูมิเนียมในส่วนประกอบเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์
เนื่องจากหน้าตัดการดูดกลืนนิวตรอนความร้อน-มีค่าเพียงประมาณ 0.23 โรงนา ซึ่งทำให้การสูญเสียจากปฏิกิริยาเกิดต่ำ และเนื่องจากค่าการนำความร้อนสูงช่วยปรับปรุงการนำความร้อนจากแผ่นเชื้อเพลิงไปยังสารหล่อเย็น

ถาม: ข้อจำกัดหลักของอะลูมิเนียมในการใช้งานด้านนิวเคลียร์มีอะไรบ้าง
โลหะผสมจะสูญเสียความแข็งแรงที่อุณหภูมิสูงกว่า 150 องศา การกัดกร่อนของน้ำจะเร่งตัวขึ้นที่อุณหภูมิสูง และการไหลเวียนของนิวตรอนที่สูงทำให้เกิดอาการบวมและเปราะ เครื่องปฏิกรณ์กำลังจึงใช้โลหะผสมเซอร์โคเนียมแทน

ถาม: อลูมิเนียมทำหน้าที่เป็นวัสดุหุ้มเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ได้อย่างไร
มันทำงานได้ที่อุณหภูมิต่ำกว่าประมาณ 200 องศา ทำให้เกิดออกไซด์ป้องกันบางๆ ในระบบระบายความร้อนด้วยน้ำ- ต้องมีการควบคุมเคมีของน้ำเพื่อป้องกันการเกิดรูพรุน และไม่เหมาะสมกับเชื้อเพลิงของเครื่องปฏิกรณ์พลังงานเชิงพาณิชย์

ถาม: อลูมิเนียมอัลลอยด์ชนิดใดที่พบได้ทั่วไปในระบบนิวเคลียร์
6061-T6 สำหรับส่วนประกอบโครงสร้าง, 1100 สำหรับการหุ้มที่อุณหภูมิต่ำ-, 5052 สำหรับท่อและถัง, เกรด Al-Ni-Fe สำหรับบริการทดสอบที่ร้อนกว่า และผงอะลูมิเนียมเผาผนึกที่ต้องการความแข็งแรงในการกระจายตัว

ถาม: อะลูมิเนียมรีไซเคิลจากเครื่องปฏิกรณ์ที่เลิกใช้งานแล้วได้อย่างไร
ฮาร์ดแวร์ที่เปิดใช้งานจะถูกเก็บไว้เพื่อปล่อยให้ผลิตภัณฑ์ที่มีอายุสั้น- เช่น โซเดียม-24 ตายไป จากนั้นจึงสำรวจและละลาย การถลุงแร่สามารถคืนโลหะที่สะอาดได้มากกว่า 95% และอะลูมิเนียมที่มีฤทธิ์ต่ำมักจะถูกหล่อใหม่เป็นบล็อกป้องกัน

ถาม: การเปิดใช้งานอะลูมิเนียมมีความสำคัญต่องานบำรุงรักษาหรือไม่
ใช่แต่เพียงสั้นๆเท่านั้น โซเดียม-24 มีอายุการใช้งานครึ่ง-ประมาณ 15 ชั่วโมง ดังนั้นส่วนประกอบที่เป็นอะลูมิเนียมจึงสามารถเข้าถึงได้หลังจากช่วงเย็นตัวสั้นๆ ซึ่งแตกต่างจากส่วนประกอบที่มีผลิตภัณฑ์กระตุ้นที่มีอายุการใช้งานยาวนาน