اثر عملیات حرارتی بر ریزساختار و نفوذ نقره در پوشش‌های کربنی پیرولیتیک

به خوبی پذیرفته شده است که ذرات سوخت هسته‌ای پوشش­ داده­ شده­ ی TRISO (ایزوتروپ سه ساختاری) دارای قابلیت نگه‌داری محصولات شکافت تا °C1600 هستند، ولی بالای این دما محصولات شکافت می‌توانند از طریق کربن پیرولیتی (PyC) و پوشش‌های کاربید سیلیسیم نفوذ کنند که قادر میباشند به شکل سدهای محدود کننده در این سوخت عمل کنند. با وجود دهه‌ها تحقیق و توسعه، در رابطه با محدوده‌ی دمای واقعی این سوخت، شناخت کمی حاصل شده است. برای درک دمای واقعی این سوخت، پوشش‌های PyC تولید شده توسط لایه نشانی با بخار شیمیایی بستر سیال در دمای °C1000، °C1400 و °C1700 به مدت 200 ساعت در اتمسفر خنثی حرارت دهی شدند. مشاهده شد که بالای °C1400 انیزوتروپی، اندازه سامان و درجه‌ی گرافیته ­شدن به دو برابر مقدار واقعی آن افزایش می‌یابد. به علاوه، در °C1700 بعضی از نمونه‌ها تشکیل نانو تخلخل‌ها را نشان دادند، که می‌تواند به دلیل واقعی بودن محدوده‌ی دمای حداکثر سوخت یا حداقل، به آن مربوط باشد. نفوذپذیری افزایش یافته‌ی عناصر به دلیل تغییرات میکروساختاری با توجه به آزمایش‌های نفوذ نقره تایید شده‌است. علاوه بر این، مشاهده شد که تمام نمونه‌ها سطح یکسانی از گرافیته شدن را تحمل نمی‌کنند. به این ترتیب گمان میشود که پوشش‌های PyC می‌توانند قابلیت خود را برای نگه‌داری محصولات شکافت حتی پس از گردش دمایی بالای °C1600 حفظ کنند.

حادثه‌ی هسته‌ای در فوکوشیما [Fukushima] در مارس 2011 لزوم دست‌یابی به سوخت های هسته‌ای با تحمل بالاتر را برای شرایط غیرطبیعی آشکار ساخت. ذرات سوخت پوشش داده شده با TRISO (ایزوتروپ سه ­ساختاری) در بین گزینه‌های مورد مطالعه‌ی کنونی به عنوان سوخت ­های مقاوم تصادفی (ATF) هستند، و ترکیبات کاملی برای امنیت ذاتی راکتورهای دما بالا و خیلی بالا (HTR و VHTR) می‌باشند. این نوع از سوخت، ابتدا در دهه‌ی 1970 در UK ساخته شد، که حاصل از هسته‌ی اورانیوم پوشش داده شده با چهار لایه از کربن پیرولیتی (PyC) و یک لایه کاربید سیلیسیوم (SiC) است که می‌تواند به عنوان یک شناور حامل محصول شکافت (FP) کوچک عمل کند [1].

هسته نه تنها انرژی را به صورت حرارت تولید می‌کند بلکه (به صورت جزئی) FP را نیز نگه می‌دارد. همچنین هسته‌ی پوشش داده شده با یک لایه‌ی پوشش PyC متخلخل، به عنوان بافر توضیح داده می‌شود، که اتم­های بازگشتی شکافت را تضعیف کرده و یک حجم خالی برای تصفیه کردن محصولات گازی شکافت (مثلا، کریپتون و زنون) و مونوکسید کربن ایجاد می‌کند. یک لایه‌ی داخلی متراکم از پوشش PyC (IPyC) روی سطح بالایی لایه‌ی بافری نشانده شده، این ساختار متخلخل را عایق کرده و به عنوان یک نگهدارنده ­ی FP فلزی یا گازی عمل می‌کند (مثلا، Sr-90 و Cs-137). این PyC متراکم همچنین می‌تواند از حمله‌ی شیمیایی هسته در طول تولید لایه‌ی SiC جلوگیری کرده، و پایداری مکانیکی بالایی به SiC توسط اعمال یک تنش فشاری در طول تشعشع بخشد.

لایه‌ی SiC اصلی ترین سد نفوذ FP فلزی است و بیشتر خواص مکانیکی سوخت را تامین می‌کند. در نهایت، لایه‌ی پوشش خارجی PyC (OPyC) آخرین سد نفوذی بوده و این اطمینان را می‌دهد که SiC در طول تشعشع تحت فشار است. هدف از این پوشش‌ها متوقف کردن رهایش تمام محصولات شکافت حتی تحت شرایط فرآیندی غیرطبیعی است [6-2].

برای اطمینان از محدود شدن ایمن تمام رادیو هسته‌ای مهم، بیشینه دمای عملیات این سوخت در °C1600 تنظیم شد. این دما پس از اینکه نتایج تجربی نشان دادند بعضی از FPها بالای این دما شروع به آزاد شدن می‌کنند، تعیین شد. اگرچه این مقدار به طور دقیق به دست آمده است، اطلاعات اندکی در رابطه با منشا رهایش FP در این دما وجود دارد، به خصوص اگر انجام تجزیه‌ی مواد تشکیل دهنده‌ی سوخت در دماهای بالای °C2000 در نظر گرفته شود. [7،8]. بنابراین، برای درک افزایش ناگهانی هرچه­ بیش­تر امنیت این نوع از سوخت، این امر ضرورت دارد که تاثیر جداگانه‌ی رفتار پوشش‌های سرامیکی تحت شرایط غیرطبیعی مطالعه شوند.

پوشش‌های PyC استفاده شده روی ذرات TRISO توسط لایه نشانی بخار شیمیایی بستر سیال (FBCVD) از طریق تجزیه‌ی حرارتی هیدروکربن های مختلف مانند متان، پروپان، اتان، اتیلن، استیلن، پروپیلن، بنزن، تولوئن، و غیره با استفاده از دمای تجزیه‌ی بین °C900 و °C1400 تولید شدند [9]. در رابطه با PyC، مشخص است که بیش­تر خواص فیزیکی با ریزساختار تغییر می‌کنند و این امر به شرایط لایه نشانی استفاده شده در حین آماده‌سازی بستگی دارد.

از آنجایی که این امکان وجود دارد شرایط لایه نشانی مانند دما، نسبت حجم/ سطح، زمان نگه‌داری و غلظت مواد اولیه را تغییر داد، انواع مختلفی از ریزساختارها می‌توانند بر روی ذرات سوخت نشانده شوند. به علاوه، زمانی که PyC با عملیات حرارتی بالاتر از دمای لایه­نشانی خود مواجه می­شود، یک تغییر ریزساختاری به صورت یک ساختار منظم‌تر مشابه به گرافیت، به نام گرافیته شدن نمو می­یابد [10]. در نتیجه، اندازه میانگین صفحات گرافیت پایه‌ای و ضخامت انباشتگی افزایش می‌یابد (به ترتیب، La و Lc)، این در حالی است که فاصله‌ی بین صفحه­ای (d₀₀₂) و انحنای لایه‌های گرافیتی (حالت مارپیچی) کاهش می‌یابد [15-11]. تاثیرات عملیات حرارتی بر روی PyC همچنین می‌تواند انیزوتروپی (جهت‌گیری صفحات گرافیتی) آن را تغییر دهد [16].

انیزوتروپی (درجه­ی جهت­گیری ترجیحی صفحات گرافن) PyC از آن­جایی که به شدت به احتمال شکست تحت تشعشع نوترون بستگی دارد، ویژگی مهمی است. چون PyC حاصل از تشعشع نوترونی است انقباض یافته و به ترتیب مابین و در طول صفحات گرافنی قرار می‌گیرد. بنابراین، اگر PyC شدیدا جهت‌گیری کند (انیزوتروپی)، تمایل به ایجاد انقباض بیش­تر در طول صفحات گرافن داشته و منجر به تشکیل ترک‌هایی می‌شود که باعث شکست سیستم پوششی و رهایش محصولات شکافت می‌شود [17]. در نتیجه، شناسایی انیزوتروپی بافت اهمیت ویژه­ای برای اطمینان از سوخت دارد. بسته به ناحیه‌ی نمونه‌برداری، بافت ماده می‌تواند به صورت نانو (زیر μm2/0)، میکرو (بالای μm2/0 و تا ده­ ها میکرومتر) یا بافت ماکرو (تا چندین میلیمتر را پوشش می‌دهد) تعریف شود، که هر یک اطلاعات ارزشمندی برای تعیین امکان شکست تحت تشعشع ارائه می­کند [18].

ریزساختار پوشش‌های PyC و SiC یکی از پارامترهای مهم است که رهایش FP را کنترل می‌کند؛ بنابراین ضرورت دارد که درک رفتار ترکیبات سرامیکی مختلف را در دماهای بالا بهبود داد. از آنجایی که لایه IPyC بیش­تر FPها و لایه SiC را از حمله شیمیایی بعضی از FPهای فلزی و گازهای اکسید کننده حفظ می­کند [19]، این پژوهش روی مطالعه‌ی تاثیر دما بر ریزساختار ماده، به ویژه تا دماهای °C1700 متمرکز شده، و نتایج به محدوده­ی دمای واقعی °C1600 ارتباط داده ‌شده‌است.