Nghiên cứu mới của Phòng thí nghiệm hạt nhân quốc gia Anh và Đại học Liverpool ở Anh đã sử dụng một kỹ thuật mới để khám phá quá trình oxy hóa nhiệt ảnh hưởng như thế nào đến cấu trúc của một bộ phận chính của lò phản ứng hạt nhân để chúng có thể được thiết kế để hoạt động lâu hơn trước đây. Nghiên cứu này đã được báo cáo trong Kỹ thuật và Thiết kế Hạt nhân .
Hình ảnh kính hiển vi của thuốc nhuộm huỳnh quang làm bão hòa các lỗ mở của các mẫu than chì khác nhau cho thấy độ sâu thâm nhập. Nhà cung cấp hình ảnh: A. Tzelepi và cộng sự, Nuc. Anh. Thiết kế, 411 (2023) 112421
Thành phần chính là than chì. Nó được tạo thành từ các tinh thể nhỏ cùng nhau tạo thành "hạt" hoặc "hạt phụ". Kích thước hạt , cùng với độ xốp, được sử dụng để phân loại than chì hạt nhân thành các loại khác nhau. Nó đóng một vai trò quan trọng trong nhiều loại lò phản ứng hạt nhân. Nó được sử dụng trong đội lò phản ứng đang hoạt động hiện đã cung cấp khoảng 20% lượng điện trung hòa carbon của Vương quốc Anh kể từ những năm 1950 và có thể sớm được sử dụng trong các lò phản ứng tiên tiến được lên kế hoạch đóng vai trò quan trọng trong các hệ thống năng lượng thân thiện với môi trường trong tương lai trên khắp thế giới. thế giới.
Các nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm hạt nhân quốc gia Anh và Đại học Liverpool đã kiểm tra độ xốp của than chì hạt nhân siêu mịn và liên kết điều này với một sự thay đổi hóa học được gọi là quá trình oxy hóa nhiệt . Họ tập trung vào nhiệt độ rất cao mà một số lò phản ứng tiên tiến, được gọi là lò phản ứng nhiệt độ cao (HTR), sẽ tạo ra. Những phát hiện này có thể được sử dụng để thiết kế các lò phản ứng hạt nhân hiệu quả có thể tồn tại lâu hơn nhiều so với đội tàu ban đầu.
Nassia Tzelepi, Nghiên cứu viên cao cấp tại Phòng thí nghiệm Hạt nhân Quốc gia, giải thích tầm quan trọng của công trình này: "Quá trình oxy hóa nhiệt là một trong hai cơ chế trong các thành phần than chì HTR có thể ảnh hưởng đến hiệu suất của các lò phản ứng. Hiểu rõ về sự tiến hóa của nó và ảnh hưởng đến hoạt động của lò phản ứng." Các đặc tính của than chì là cần thiết để đủ điều kiện sử dụng than chì trong HTR."
Bên trong lò phản ứng hạt nhân
Lò phản ứng hạt nhân dựa vào neutron để phân chia các nguyên tử, giải phóng một lượng lớn năng lượng. Các neutron chuyển động rất nhanh nên người ta sử dụng chất điều tiết để làm chúng chậm lại, khiến chúng dễ bị hấp thụ bởi một nguyên tử trong nhiên liệu hơn. Các khối than chì rắn là chất điều tiết tuyệt vời.
Chất làm mát sẽ chiết xuất năng lượng và gửi nó đi nơi nào đó có thể sử dụng được. Các lò phản ứng hiện tại gửi chất làm mát tới tuabin để sản xuất điện; các lò phản ứng trong tương lai có thể được sử dụng để tạo ra nhiệt lượng carbon thấp theo yêu cầu của một số ngành công nghiệp. Trong lò phản ứng khí nhiệt độ cao (HTGR), khí helium được sử dụng làm chất làm mát, đạt nhiệt độ hơn 700 °C. Helium, ngay cả khi đã được tinh chế, vẫn chứa các chất như không khí hoặc hơi ẩm. Những tạp chất này, kết hợp với nhiệt độ cao, có thể dần dần làm cho than chì bị oxy hóa trong vòng đời dự đoán từ 40 đến 60 năm của lò phản ứng.
Quá trình oxy hóa có thể làm thay đổi độ xốp của than chì, một đặc tính quan trọng ảnh hưởng đến hiệu suất của nó. Điều nghịch lý là mức độ oxy hóa phụ thuộc vào độ xốp: cách các lỗ được liên kết với nhau, kích thước của chúng và tính thấm tổng thể của vật liệu. Quá trình oxy hóa có thể được gây ra bởi nhiệt độ cao, được gọi là quá trình oxy hóa nhiệt hoặc do bức xạ.
Các nhà khoa học Anh có nhiều kinh nghiệm về quá trình oxy hóa do bức xạ gây ra trong đội lò phản ứng lịch sử được điều tiết bằng than chì hoạt động ở nhiệt độ khoảng 350 đến 450 °C. Nghiên cứu hiện nay tập trung vào những gì sẽ xảy ra ở nhiệt độ cao hơn mà thế hệ lò phản ứng mới sẽ tạo ra.
Kiểm tra cấu trúc vi mô bằng kỹ thuật chuyên môn
Hiểu được điều gì xảy ra với than chì không hề đơn giản. Giống như nhiều vật liệu composite khác, cả quy trình sản xuất và loại nguyên liệu thô đều đóng vai trò quyết định tính chất của sản phẩm cuối cùng.
Than chì được tạo thành từ các tinh thể nhỏ thường có hướng ngẫu nhiên. Các loại than chì khác nhau có thể được sản xuất được đặc trưng bởi kích thước trung bình của hạt độn và độ xốp. Theo Nassia, "Mỗi than chì đều khác nhau tùy thuộc vào nguyên liệu thô và cách sản xuất nó. Chúng tôi muốn biết điều gì làm cho các loại than chì có thuộc tính dường như giống nhau lại hoạt động khác nhau dưới quá trình oxy hóa nhiệt." Có nhiều lý do có thể dẫn đến hành vi khác nhau và những lý do này có thể được nghiên cứu bằng cách xem xét cấu trúc vi mô dưới kính hiển vi.
Đội của Nassia tập trung nghiên cứu vào than chì hạt siêu mịn với kích thước hạt trung bình 10–20 micromet, vì chúng đang được xem xét cho các lò phản ứng thế hệ tiếp theo. Sử dụng lò nung nhiệt độ cao và bầu không khí được kiểm soát cẩn thận, bốn loại than chì hạt siêu mịn bị oxy hóa ở nhiệt độ 700–800 °C.
Một kỹ thuật được các nhà khoa học Anh phát triển đặc biệt để phân tích than chì hạt nhân từ các lò phản ứng lịch sử đã được điều chỉnh để thâm nhập vào các lỗ nhỏ hơn tồn tại trong than chì hạt siêu mịn. Kỹ thuật này liên quan đến việc làm bão hòa các lỗ chân lông "mở" bằng thuốc nhuộm huỳnh quang. Những lỗ hở này có thể bị chất làm mát lò phản ứng xuyên qua , vì vậy điều quan trọng là phải phân biệt chúng với độ xốp "đóng" không thể tiếp cận được. Sử dụng kính hiển vi, hình ảnh của lỗ chân lông mở và đóng được thu thập và phân tích.
Bằng cách kết hợp kỹ thuật này với các kỹ thuật tiêu chuẩn khác, người ta đã tìm ra manh mối để giải thích các hành vi khác nhau. Độ sâu oxy hóa tổng thể, được thể hiện trong đồ họa của ba mẫu riêng biệt, có liên quan đến sự hiện diện của các lỗ tương đối lớn, liên kết với nhau nhưng trên bề mặt của khối than chì, một mạng lưới các lỗ hẹp, mở đã tăng cường quá trình oxy hóa gần bề mặt.
Nhóm nghiên cứu cũng phát hiện ra rằng tốc độ oxy hóa dường như thấp hơn ở than chì khi một số phần của vi cấu trúc đã kết tụ lại với nhau tạo thành các khối kết tụ nhỏ. Khi các hạt kết tụ lại với nhau theo cách này thì sẽ có ít mép lộ ra có thể bị oxy hóa hơn.
Tất cả thông tin về cấu trúc vi mô này có thể được sử dụng để xác định chính xác than chì sẽ hoạt động như thế nào bên trong các lò phản ứng trong tương lai. Đối với Nassia, nghiên cứu mới này cho thấy tại sao việc tiếp tục học hỏi và khám phá—và việc tạo ra các kỹ thuật mới—là quan trọng: "Vương quốc Anh đã vận hành các lò phản ứng điều tiết bằng than chì chịu được quá trình oxy hóa 'phóng xạ' ở mức độ cao trong hơn 50 năm. cơ chế oxy hóa phóng xạ là khác nhau, có thể rút ra nhiều kinh nghiệm để hiểu không chỉ ảnh hưởng của quá trình oxy hóa lên các tính chất của than chì mà còn để phát triển các phương pháp nghiên cứu nó."
Những hiểu biết sâu sắc thu được từ những kỹ thuật mới này hỗ trợ sự phát triển của các lò phản ứng trong tương lai, đảm bảo rằng chúng hoạt động ổn định trong điều kiện tối ưu và cho phép chúng đóng vai trò dẫn đầu trong một tương lai hoàn toàn dựa vào năng lượng trung hòa carbon.
