Нови материали в ядрената енергетика
Ядрените рактори представляват една от надеждите за преминаване към по-екологична (в сравнение с основаната на изкопаеми горива) енергетика. Развитието на ядрения сектор е свързанно от една страна с разработване на нови видове реактори, а от друга с удължаването на експлоатацията на вече съществуващите реактори чрез подмяна и надграждане на оборудването в тях. Успехът и на двете посоки на развитие зависи от разработките на нови материали, които да бъдат използвани в специфичната среда на ядрените централи. Тези материали трябва да имат изключителна устойчивост, за да осигурят безопасността на реакторите. Забелязват се няколко обещаващи посоки на развитието на изследванията в тази област. Разработването на тези специфични материали обикновено е по-продължително поради нуждата от емпирично тестване, но има напредък в методите за моделиране, които да редуцират това време.
Текст: списание Енергия
През следващите десетилетия светът е изправен пред предизвикателството да удължи живота на наличните ядрени съоръжения и да пусне в експлоатация нови централи, които използват нови технологии. Производството на ядрена енергия се нуждае и ще изисква материали, които са изключително устойчиви на специфичната среда, в която ще бъдат използвани - при високи температури, налягане и радиационно облъчване. Структурните свойства на тези материали се изследват с акцент върху механичните характеристики, издръжливостта, пластичността и стабилността. В рамките на комплексен подход се анализират термодинамичните им свойства и тяхната микроструктура. Разбирането на поведението на реакторните материали в екстремни среди е жизненоважно не само за разработването на нови материали за ядрени реактори от следващо поколение, но и за удължаване на експлоатационния живот на съществуващите ядрени реактори.
За да гарантират, че днешните реактори и около 50 други, които са в процес на изграждане по целия свят работят безопасно и ефективно в продължение на много десетилетия, учени и инженери работят за подобряване на методите, използвани за наблюдение, анализ и прогнозиране на здравината и целостта на предимно металните компоненти на тези структури. Те също така разработват нови сплави и керамика, които са по-устойчиви на корозия и повреди при екстремните температури и налягания в реакторните ядра. Тенденцията реакторите да работят все по-дълго се наблюдава в целия свят, като общо около 440-те реактора са средно на 30 години. Планира се някои от тях да бъдат изведени от експлоатация, но много други са надградени с нови части, за да удължат значително периода им на експлоатация. Бъдещето на ядрената енергия ще отиде отвъд настоящото поколение реактори с лека вода. Очаква се бъдещите реактори да осигурят допълнителни подобрения по отношение на безопасността, да предоставят висока надеждност, да използват по-ефективно урановите ресурси и да произвеждат по-малки количества и по-малко токсични твърди отпадъци.
Няколко усъвършенствани концепции за реактори са в процес на разработване, за да отговорят на тези изисквания. В повечето случаи тези разработки довеждат до по-високи работни температури и по-дълъг живот, по-корозивна среда и по-високи радиационни нива, при които материалите трябва да работят надеждно. Материалите, използвани за ядрено инженерство, основано на делене и термоядрен синтез, включват главно горива, материали за облицовка на горива, модератори и контролни пръти, материали за първата стена на реакторния съд, материали за съдове под налягане и топлообменници. По време на живота на ядрената енергийна система материалите са подложени на висока температура, корозивна среда и щети от високоенергийни частици, отделени по време на делене. Предизвикателствата за материалите ще определят осъществимостта на модерните концепции за нови реактори и ще определят бъдещето на ядрената енергетика в дългосрочен план.
Методи на изследване
Текущите изследователски дейности относно структурни материали за приложения в ядрената енергетика обхващат широк кръг от фундаментални теми и по-конкретни въпроси от приложен характер. Една част от тях е фокусирана върху използването на изчислително термодинамично моделиране и усъвършенствани адитивни производствени техники за проектиране и производство на високоефективни структурни материали със значително по-добри механични свойства, способност за производство на компоненти с безпрецедентна геометрична сложност и изключително висока устойчивост на индуцирана от радиация деградация на свойствата в сравнение с наличните към момента материали.
Целта е да се съкрати значително времето за разработване на нови поколения високоефективни структурни материали за ядрени енергийни приложения. Може да се постигне значително взаимодействие между изследователски дейности относно радиационните ефекти при делене и при термоядрен синтез и разработване на нови високоефективни материали и усъвършенствани производствени процеси. Извършват се операции с усъвършенствани изчислителни модели и експериментални изследователски дейности, свързани с разработването на усъвършенствани, устойчиви на аварии ядрени материали.
Докато сроковете за проектиране на материали в други индустрии са в рамките на до три години, разработването на ядрени материали отнема значително повече време и все още разчита до голяма степен на итеративен процес на проектиране поради необходимостта от експерименти с облъчване, за да се установи ефективността в реактора. Облъчването оказва значително влияние върху развитието на свойствата на материала и това представлява значителна бариера пред квалифицирането на нови материали, тъй като квалификацията остава основана на открития относно ефектите на облъчване от исторически мащабни квалификационни експерименти и опит в използването на вече известни материали. Това ограничено разбиране на въздействието на облъчването върху материали означава, че усилията за успешно квалифициране и внедряване на иновативни ядрени горива и материали отнемат няколко последователни кампании за облъчване, като всеки цикъл трае приблизително десетилетие.
Въпреки това нараства броят на концепциите за облицовка на горивната система, които са разработени в рамките на един цикъл (например облицовки с покритие и на основата на желязо). Това предполага, че е възможна промяна с приемането на нова парадигма за развитие. Извършват се и широка гама от фундаментални изследователски дейности по облъчване, за да се осигурят важни основни познания за механизмите за разграждане на радиацията в материалите. Последните проучвания включват извършване на изчислително многомащабно моделиране, обхващащо механизми от причиняване на дефекти до микроструктурна еволюция и въздействие върху свойствата, както и цялостни експериментални изследвания на стабилност на утайката и микроструктурна еволюция в сплави, феритни/мартензитни стомани и няколко сплави за моделно леене като функция от температурата на облъчване и състава на сплавта, включително как хелиевият и водородният газ влияят на радиационно увредените микроструктури.
Моделирането, базирано на физика с висока производителност, което прави прогнози въз основа на физически закони, може да се комбинира с анализ на данни, за да се направят изводи за тенденции и корелации. По този начин може да се създадат прогнози за ефективността на материалите при облъчване както в кратки, така и в дълги времеви мащаби, да се свържат резултатите и да се извършат усъвършенствани анализи. Наред с други нужди, това означава разработване на точни атомистични и мезомащабни методи за прогнозиране на ефектите на облъчване, температура, стрес, други химически и физически въздействия върху горивата и структурните материали.
Тъй като материалите остават в експлоатация в продължение на години, ефективното моделиране на облъчване за квалификация и прогнозиране на ефективността е също толкова важно за съкращаване на сроковете за разработка. Едно събитие на облъчване се случва в мащаба на пикосекундите, което води до популация от радиационно-индуцирани дефекти, които остават след повредата и се развиват във времеви мащаби, вариращи от секунди до години. Тези популации на дефекти или могат, или не могат да достигнат стабилно състояние и по-нататъшните щети могат да взаимодействат със същите тези дефекти. Изчислителното преодоляването на тези времеви скали ще намали зависимостта от тестването с облъчване.
Тенденции при разработките
Някои ядрени реактори функционират при много високи температури и поради тази причина те трябва да бъдат изградени със специфични топлоустойчиви материали. Настоящият избор на възможни материали за тези реактори е доста малък, което ограничава възможностите за разработването и изграждането им. Постоянно се извършват изследвания, търсещи още възможности и разширяване на границите по отношение на температурата. Безопасността на ядрените реактори е от първостепенно значение и се полагат големи научни и технологични усилия за разработване на по-добри и безопасни конструкции като много високо температурни реактори (Very-High-Temperature Reactor VHTR). Тези реактори са много ефективни и могат също така да произвеждат водород, който да се използва като екологичен източник на енергия. Работната температура на тези реактори е много по-висока от тази на днешните реактори.
Следователно има нужда от специални материали, които да са съвместими с дизайна на ядрените реактори, които имат ниски напречни сечения на абсорбция на неутрони и биха могли да издържат на температури до 1500оC и дори по-високи при интензивни условия на облъчване без сериозно влошаване на техните свойства. Съществуват само няколко материала, одобрени за изграждане на високотемпературни реактори, докато ядрените централи с лека вода могат да избират между 50-100 материала. За разлика от реакторите с лека вода, които работят при около 290°C, реакторите с разтопена сол, високотемпературни, газово охладени или натриеви се нуждаят температура, която е няколко пъти по-висока от тази. Допълнителните скорошни изследователски дейности включват и разработване на нови високоефективни оксидни дисперсионно подсилени (Oxide dispersion strengthened - ODS) стомани за облицовка на горива в настоящи и бъдещи (четвърто поколение) реактори, базирани на делене на ядрата и предлагани системи за реактор на термоядрен синтез, както и модификация на условията за обработка на добавки за ODS стомани - създаване по време на производството на желаните наноструктури, които ще осигурят висока якост и радиационна устойчивост.
Изследва се и радиационната устойчивост на много други структурни материали, включително високоякостни сплави на никелова основа, сплави с висока ентропия и огнеупорни сплави. Неутронното облъчване може да ограничи експлоатационния живот на стоманите за съдовете с налягане на реактора (reactor pressure vessel – RPV) чрез промяна на тяхната микроструктура чрез, например, индуцирана от радиация сегрегация на легиращи или микроелементи, разделителна способност на утайките и образуване на кухини и дислокации. Те оказват особено влияние върху температурите на преход от пластичен към чуплив материал, жилавостта на разрушаване и механичните свойства на съдовете. Стоманите за RPV осигуряват богат набор от данни за ядрени материали, резултат от десетилетия на изследвания върху реактори с лека вода. Облицовката на горивото, която го предпазва, трябва да поддържа структурна цялост при нормални експлоатационни условия, както и при евентуални аварии.
Самото гориво не трябва да отделя продукти на делене, трябва да отговаря на строги изисквания за топлинни свойства и не трябва да реагира химически на облицовката и охлаждащата течност. Работата по отношение на тези критерии изисква стратегическо проектиране и разработване на усъвършенствани материали, като създаването на микроструктури, по-устойчиви на облъчване чрез използване на свойствата на специфични дефекти на материала. Циркониевите сплави отдавна служат като материал за облицовка на гориво и те са в процес на непрекъснато развитие още от самото им въвеждане. Те обаче не проявяват физическа и химична стабилност, необходима за условията в реактори, работещи според най-модерните концепции в ядрената енергетика (например при температури между 700°C и 1000°C). Новите високотемпературни сплави, като високотемпературни феритни стомани и многостепенни сплави на основни елементи (MPEA), се разглеждат като опция, но композиционното пространство за MPEA обхваща над милиард различни потенциални сплави, което ясно показва необходимостта от нов метод за избор на материали.
Нанотехнологии в атомната енергетика
Според експертите съвременните нанотехнологии в атомната индустрия са фокусирани главно върху разработването и внедряването на специална наносистемна технология за гарантиране на безопасността при употребата на атомна енергия, повишаване на нивото на екологична безопасност и комфорта на обитаваната среда, на интелигентни наноматериали и нанотехнологии за подобряване на ефективността на физическата защита на радиационноопасни обекти, на принципно нови радиационно-устойчиви структурни материали и високо ефективно ядрено гориво за атомната енергетика, на електрически, магнитни и свръхпроводящи материали и продукти за широко прилагане в енергетиката, особено атомната.
Перспективите за развитието на атомната енергетика на основата на нанотехнологиите, са свързани главно с намаляване на специфичното потребление на природен уран, главно поради по-високото дълбочинно изгаряне на ядреното гориво. За това се изследва създаването на по-едри кристални структури на ядрени материали с контролирана и добре дефинирана порьозност. Такива материали ще допринесат за ефективното запазване на продуктите на делене и ще затрудняват транспортирането на парчета от делене към обвивката на топлоотделящите елементи и нейната вътрешна повреда. В допълнение, активирането на процеса на агломериране чрез добавки с нанометричен размер, се смята от специалистите за един от най-перспективните области за развитие на нови видове уран-плутониеви оксиди и нитриди за атомната енергетика.
С нанотехнологиите експертите също свързват решението на проблема за осигуряване на радиационната устойчивост на обвивката с високите характеристики за топлоустойчивост. Например, решението на този проблем може да се основава на използването на нов клас от структурни материали за елементите на активните зони в усъвършенствани атомни реактори-устойчиви феритно-мартензитни радиационни стомани, уякчени частици с нанометров размер на оксиди-т.нар. DUO-steel-Russian. Технологията на производство на „DUО-стоманата” включва, получаване на хомогенни бързо-закалени ултрадисперсни прахове със сферична и люспеста форма чрез центробежно разпръскване на стопилката, твърдо-фазово легиране на матричен материал с нанодисперсни оксиди на итрий, уплътняване на ултрадисперсни или нанодисперсни прахове и термомеханична обработка на продукти, за създаване в матрицата от стомана на отделяне на итрийеви оксиди с нанометърни размери.
Изследвания са показали, че наноструктурираната „DUO-стомана” запазва достатъчно високо остатъчно удължаване след обработване със степен на деформация до 60%. В допълнение, предреакторните тестове на тези стомани в експериментално-промишлени условия са показали многократно увеличение на параметрите-до 8 пъти на топлоустойчивост в сравнение с традиционно използваната стомана. Перспективите на нанотехнологиите могат да бъдат свързани със създаването и на т.нар борна неръждаема стомана. Например, разделянето на бориди на нанометърно ниво-от 5-100 нанометра, може да увеличи съдържанието на бор от 3-4 пъти при поддържане на еластичността и заваряемостта на неръждаемите стомани. В общи линии, новите конструкционни материали са в състояние да удължат експлоатационния срок на атомните реактори.
През последните години, експертите от атомната индустрия са установили, че найефективният начин да се гарантира радиационната издръжливост е образуването на твърд разтвор на наноструктурирани решетки от атомни комплекси с близко подреждане-уловител на свободни места с период от 5-10 нанометра, сравнима с радиационния свободен пробег на точковите дефекти. За разлика от конвенционалното разграждане на реакторните материали, свързани с появата на трошливост при радиация. Високото дозирано облъчване на такива сплави, води до повишаване на тяхната якост при запазване на вискозитета. По този начин, нанотехнологиите, в действителност, дават нова посока в радиационното материалознание - създаване на конструкционни материали, “положително” реагиращи на радиационния фактор. Не по-малко от значение за ядренатa енергeтика е създаването на универсална филтърна система от микро- до нанометърни размери. Такива метално-обемни нанофилтри са твърде перспективни за използване в системите за водоподготовка и пречистване на охлаждащата вода от реакторите в АЕЦ.