Novo istraživanje Nacionalne nuklearne laboratorije Ujedinjenog Kraljevstva i Univerziteta u Liverpulu u Velikoj Britaniji koristilo je novu tehniku da istraži kako termička oksidacija utiče na strukturu ključne komponente nuklearnih reaktora tako da se oni mogu konstruisati da rade duže nego ranije. Ovo istraživanje je objavljeno u Nuklearnom inženjerstvu i dizajnu.
Ključna komponenta je grafit. Sastoji se od sićušnih kristala koji zajedno formiraju „zrna“ ili „čestice punila“. Veličina zrna, zajedno sa poroznošću, koriste se za karakterizaciju nuklearnog grafita u različite stepene. On igra važnu ulogu u mnogim tipovima nuklearnih reaktora. Koristi se u trenutnoj operativnoj floti reaktora koji su snabdevali oko 20% ugljično neutralne električne energije u Velikoj Britaniji od 1950-ih i uskoro bi se mogli koristiti u naprednim reaktorima za koje se planira da igraju vitalnu ulogu u budućim ekološki prihvatljivim energetskim sistemima širom svet.
Istraživači iz Nacionalne nuklearne laboratorije Ujedinjenog Kraljevstva i Univerziteta u Liverpulu ispitali su poroznost superfino zrnastog nuklearnog grafita i povezali ovo sa hemijskom promenom poznatom kao termička oksidacija. Oni su se fokusirali na veoma visoke temperature koje će proizvoditi neki napredni reaktori, poznati kao visokotemperaturni reaktori (HTR). Nalazi se mogu koristiti za dizajniranje efikasnih nuklearnih reaktora koji mogu trajati mnogo duže od originalne flote.
Nasia Tzelepi, viši saradnik u Nacionalnoj nuklearnoj laboratoriji, objašnjava značaj ovog rada: „Termička oksidacija je jedan od dva mehanizma u komponentama grafita HTR koji mogu uticati na performanse reaktora. Dobro razumevanje njegove evolucije i uticaja na svojstva grafita su potrebna da bi se grafit kvalifikovao za upotrebu u HTR-u.“
Nuklearni reaktor se oslanja na neutrone za cepanje atoma, oslobađajući velike količine energije. Neutroni se kreću veoma brzo, tako da se moderator koristi da ih uspori, što čini verovatnije da ih atom u gorivu apsorbuje. Čvrsti blokovi grafita su odlični moderatori.
Rashladna tečnost izvlači energiju i šalje je negde gde se može koristiti. Postojeći reaktori šalju rashladnu tečnost u turbinu za proizvodnju električne energije; budući reaktori bi se mogli koristiti za proizvodnju toplote sa niskim sadržajem ugljenika koja je potrebna nekim industrijama. U visokotemperaturnom gasnom reaktoru (HTGR) gas helijum se koristi kao rashladno sredstvo, dostižući temperature veće od 700 °C. Helijum, čak i kada je prečišćen, sadrži supstance kao što su vazduh ili vlaga. Ove nečistoće, u kombinaciji sa visokim temperaturama, mogu postepeno izazvati oksidaciju grafita tokom predviđenog veka trajanja reaktora od 40 do 60 godina.
Oksidacija može promeniti poroznost grafita, ključnu karakteristiku koja utiče na njegove performanse. Donekle paradoksalno, stepen oksidacije zavisi od poroznosti: kako su pore međusobno povezane, njihove veličine i ukupne propustljivosti materijala. Oksidaciju mogu izazvati visoke temperature, poznate kao termička oksidacija, ili zračenje.
Britanski naučnici imaju bogato iskustvo oksidacije izazvane zračenjem u istorijskoj floti grafitnih reaktora koji rade na oko 350 do 450 °C. Istraživanja se sada fokusiraju na ono što bi se dogodilo na višim temperaturama koje bi proizvela nova generacija reaktora.
Razumevanje šta se dešava sa grafitom nije jednostavno. Kao i mnogi drugi kompozitni materijali, i proces proizvodnje i vrsta sirovina igraju ulogu u svojstvima finalnog proizvoda.
Grafit se sastoji od sićušnih kristala koji obično imaju nasumične orijentacije. Mogu se proizvesti različite vrste grafita koje karakteriše prosečna veličina čestica punila i poroznost. Prema Nasiji, „Svaki grafit je različit u zavisnosti od sirovina i načina na koji je proizveden. Želeli smo da znamo šta čini da se razredi grafita sa naizgled istim atributima ponašaju drugačije pod termičkom oksidacijom.“ Postoji mnogo mogućih razloga za različito ponašanje, a oni se mogu istražiti posmatranjem mikrostrukture pod mikroskopom.
Nasijin tim je fokusirao svoje istraživanje na superfino zrnati grafit sa prosečnom veličinom zrna od 10-20 mikrometara, jer se oni razmatraju za reaktore sledeće generacije. Korišćenjem visokotemperaturne peći i pažljivo kontrolisane atmosfere, četiri razreda superfino zrnastog grafita su oksidovana na 700–800 °C.
Tehnika koju su posebno razvili britanski naučnici za analizu nuklearnog grafita iz istorijskih reaktora prilagođena je da prodre u manje pore koje postoje u superfinom zrnatom grafitu. Ova tehnika uključuje zasićenje „otvorenih“ pora fluorescentnom bojom. Rashladna tečnost reaktora može prodreti u ove otvorene pore, tako da je važno razlikovati ih od „zatvorene“ poroznosti koja nije dostupna. Uz pomoć mikroskopa, sakupljene su i analizirane slike otvorenih i zatvorenih pora.
Kombinovanjem ove tehnike sa drugim standardnim tehnikama pronađeni su tragovi koji objašnjavaju različito ponašanje. Ukupna dubina oksidacije, prikazana na grafikonu za tri odvojena uzorka, bila je povezana sa prisustvom relativno velikih, međusobno povezanih pora, ali na površini grafitnog bloka fina mreža uskih, otvorenih pora pojačala je oksidaciju blizu površine.
Tim je takođe otkrio da se čini da je stopa oksidacije niža u grafitu gde su se neki delovi mikrostrukture skupili i formirali male aglomerate. Kada se zrna zgrudaju na ovaj način, manje je izloženih ivica koje bi mogle da se oksiduju.
Sve ove informacije o mikrostrukturi mogu se koristiti da se tačno odredi kako će se grafit ponašati unutar budućih reaktora. Za Nasiju, ovo novo istraživanje pokazuje zašto su kontinuirano učenje i otkrivanje — i stvaranje novih tehnika — važni: „Velika Britanija radi sa grafitnim modifikovanim reaktorima koji su podvrgnuti visokim nivoima ‘radiolitičke’ oksidacije više od 50 godina. Mehanizam radiolitičke oksidacije je drugačiji, može se izvući mnogo iskustva da se razume ne samo efekat oksidacije na svojstva grafita, već i da se razviju metode za njegovo proučavanje.“
Uvid stečen ovim novim tehnikama podržava razvoj budućih reaktora, osiguravajući da oni dosledno rade u optimalnom stanju i omogućavajući im da igraju vodeću ulogu u budućnosti koja se u potpunosti oslanja na energiju neutralnu ugljiku.
