دانشمندان روسیه ماده جدیدی برای رآکتورهای هسته‌ای عرضه کردند

دانشمندان دانشگاه ملی پژوهش‌های هسته‌ای روسیه "MEPhI" امکان استفاده از مولیبدن ایزوتوپی اصلاح شده به عنوان جایگزین آلیاژهای زیرکونیوم مورد استفاده در میله های سوخت هسته‌ای "TVEL" را مطالعه نموده و ثابت کردند که به این شکل می‌توان سطح ایمنی رآکتورهای هسته‌ای را بالا برد. نتایج تحقیقات آن‌ها در مجله "Chemical Engineering Research and Design" به چاپ رسیده است.

کد خبر: ۱۳۰۳۷۷

تاریخ: ۱۰ بهمن ۱۳۹۶ - ۱۶:۵۵

به نقل از اسپوتنیک سوخت هسته‌ای در رابطه با خطر فوق‌العاده زیاد و دشواری بکارگیری آن با دیگر انواع سوخت مورد استفاده بشریت اصولا فرق دارد. از سوخت هسته‌ای به شکل قرص‌های دی اکسید کربن به اندازه چند سانتی متر استفاده می‌شود که در میله‌های بسته و نفوذناپذیر سوخت هسته‌ای "TVEL" قرار می‌گیرند.

پوشش‌های میله‌های سوخت هسته‌ای باید با استانداردهای و مطالبات خاصی مطابقت داشته باشند: آن‌ها باید در مقابل زنگ زدگی، فرسایش و حرارت بخوبی مقاوم بوده و همچنین بر چگونگی جذب نوترون ها در رآکتور تاثیر نگذارند.

در حال حاضر آلیاژ های زیرکونیوم ، ماده اصلی برای پوشش میله‌های سوخت هسته‌ای در اکثر نیروگاه‌های اتمی انتفاعی در روسیه هستند.

این در رابطه با سطح خوب مقاومت آن‌ها در برابر زنگ زدگی در آب و مقطع اندک برخورد آن‌ها با نوترون‌های حرارتی است (منظور خاصیت ماده در رابطه با احتمال تاثیر گذاری متقابل ذره بنیادی نوترون و هسته اتم می باشد). هرچه مقطع برخورد کمتر باشد، احتمال تاثیرگذاری نوترون ها بر مشخصات ماده ای که میله سوخت هسته‌ای از آن‌ها تهیه می‌شود، پائین‌تر خواهد بود.

با این حال معلوم شده که آلیاژهای زیرکونیوم دارای کمبودهای زیادی هستند. از جمله چنین آلیاژهایی در برابر آب به شدت واکنش نشان داده و با تولید هیدروژن و سرعت بخشیدن به روند انحطاط پوشش میله های سوخت هسته‌ای، گرما ایجاد می‌کنند. این پدیده در نتیجه واکنش شیمیایی بین زیرکونیوم و بخار آب در دمای بیش از 700 درجه سانتیگراد رخ می‌دهد که در صورت وقوع سوانح در نیروگاه‌های اتمی سرد شونده با آب فوق العاده خطرناک است. همانا این عامل دلیل اصلی انفجارات در نیروگاه اتمی فوکوشیما در ژاپن اعلام شده است.

به این دلیل دانشمندان از مدت‌ها پیش امکان تعویض آلیاژهای زیرکونیوم با فلز نسوز مولیبدن را مورد بحث قرار می دهند. مولیبدن همچون زیرکونیوم در برابر زنگ زدگی مقاوم بوده و ضمنا سطح رسانندگی گرمای آن بالاتر از زیرکونیوم است.با این حال استفاده از مولیبدن نیز برخی از مشکلات را به همراه دارد. از جمله ضرورت بالا بردن غنای اورانیوم بوجود می‌آید که باعث گرانتر شدن محسوس روند مربوطه می‌شود.

این مسئله را می‌توان با تغییر ترکیب طبیعی ایزوتوپ های مولیبدن در آبشار سانتریفیژهای گازی حل کرد که طی آن 7 ایزوتوپ مولیبدن حذف شده و فقط سنگین‌ترین ایزوتوپ (Мо-100) باقی می‌ماند که مقطع برخوردش با نوترون ها عملا با مقطع برخورد زیرکونیوم مطابقت دارد.

با کمک فناوری گریز از مرکز تفکیک ایزوتوپ ها همچنین می توان مخلوط ایزوتوپ های مولیبدون را به شکلی تغییر داد که مقطع برخورد آن با نوترون ها نزدیک به زیرکونیوم یا حتی کمتر باشد.

پروفسورولادیمیر باریسویچ، استاد کرسی فیزیک مولکلولی دانشگاه ملی پژوهش های هسته ای روسیه "MEPhI" متذکر می شود:" مطالعات ما امکان داد همه معلومات لازم برای طراحی دستگاه تفکیک جهت تولید بزرگ ابعاد و گسترده مولیبدن ایزوتوپی اصلاح شده بر اساس فناوری موجود تفکیک ایزوتوپ های غیراورانیومی در سانتریفیوژهای گازی روسیه حاصل شود".

دانشمندان کارآیی و اثربخشی چند طرح آبشاری تفکیک ایزوتوپ های مولیبدن درشرایط مربوط به مطالبات و استانداردهای گوناگون برای مقطع برخورد با نوترون ها در محصول حاصله را با یکدیگر مقایسه کردند. این تحقیق با حمایت بنیاد مطالعات بنیادی روسیه و در چارچوب همکاری دانشگاه ملی پژوهش های هسته ای روسیه "MEPhI" با دانشکده مهندسی فیزیک دانشگاه چینهوا پکن چین انجام شد.

نتایج حاصله نشان داد که کارآ ترین و اثربخش ترین طرح تفکیک می تواند یا با کمک آبشار انفرادی مستطیلی شکل چند بخشی یا با کمک آبشار دوگانه مستطیلی شکل چند بخشی اجرا شود و این وابسته به میزان مقرر برای مقطع برخورد با نوترونها در مولیبدن ایزوتوپی اصلاح شده حاصله است.