Perché l'alluminio è adatto ai componenti dei reattori nucleari
L’alluminio guadagna il suo posto nell’ingegneria nucleare perché interferisce a malapena con l’economia dei neutroni. La sua sezione trasversale di assorbimento dei neutroni termici- è di circa 0,23 barn, un ordine di grandezza inferiore all'acciaio inossidabile, quindi sottili strutture di alluminio possono essere posizionate vicino a un nucleo senza imporre una grande penalità di reattività. Il metallo è anche un eccellente conduttore di calore con circa 237 W/mK, che aiuta a spostare il calore dal carburante al liquido di raffreddamento senza forti gradienti di temperatura.
Neutronica:il basso assorbimento parassitario mantiene critici i reattori di ricerca e di prova con meno scorte fissili.
Prestazioni termiche:l'elevata conduttività limita la temperatura della linea centrale del carburante e della superficie del rivestimento.
Gestione:la densità di 2,70 g/cm3 rende i supporti, i supporti e le schermature in-pile facili da spostare e posizionare.
Fabbricazione:l'alluminio può essere estruso, laminato e lavorato per ottenere canali a pareti sottili-e supporti target complessi.
Costo:i componenti in alluminio costano molto meno degli equivalenti in zirconio o titanio.
Questi vantaggi sono limitati dalla temperatura. Le leghe di alluminio iniziano a perdere resistenza al di sopra di circa 150 gradi e il metallo si scioglie a 660 gradi, quindi l'alluminio è un materiale per reattori di ricerca, circuiti di prova, schermature e strutture sperimentali piuttosto che per i nuclei dei reattori di potenza commerciali.
Rivestimento del combustibile nei reattori di ricerca e test
Il rivestimento in alluminio rimane lo standard per gli elementi di combustibile di tipo a piastre-e a dispersione. La carne di combustibile di uranio-alluminio o siliciuro di uranio viene incollata-tra le piastre di copertura in lega di alluminio e l'elemento finito viene assemblato in una scatola o canale a seconda del design del reattore. Il rivestimento isola il carburante dal liquido refrigerante, trattiene i prodotti di fissione e fornisce la superficie strutturale attraverso la quale scorre il liquido refrigerante.
| Lega | Forma tipica | Funzione nel nucleo |
|---|---|---|
| 1100 | Piastra e lamiera arrotolate | Rivestimento a bassa-temperatura, hardware a bassa attivazione |
| 6061-T6 | Estrusi e lamiera | Componenti strutturali, telai di elementi combustibili, tubazioni |
| 5052 | Lastra e tubo | Tubazioni del refrigerante, serbatoi, fabbricazione generale |
| Gradi Al-Ni-Fe | Tubo e piastra arrotolati | Rivestimento per condizioni di test a-temperature più elevate |
| Polvere di alluminio sinterizzato | Barra e tubo stampati | Componenti ad alta resistenza alla-dispersione termica- |
L'integrità del rivestimento dipende dalla chimica dell'acqua tanto quanto dalla scelta della lega. Il pH del refrigerante, la conduttività e l'ossigeno disciolto sono trattenuti all'interno di bande strette per mantenere stabile la pellicola protettiva di ossido e prevenire attacchi di vaiolatura sulla superficie dell'alluminio.
Limiti e modalità di guasto nel servizio di irradiazione
Sotto il flusso rapido di neutroni, l'alluminio subisce una crescita dell'irradiazione, un rigonfiamento e un indurimento dei vuoti. Il rigonfiamento diventa misurabile ad alta fluenza e la trasmutazione produce silicio ed elio all'interno del metallo, i quali alterano entrambi il comportamento meccanico. L'alluminio si attiva fortemente anche a breve termine: la cattura dei neutroni forma sodio-24 con un'emivita di 15 ore, che stabilisce il periodo di decadimento che deve trascorrere prima di qualsiasi operazione di manipolazione o manutenzione.
La perdita di resistenza superiore a circa 150 gradi esclude l'alluminio dai nuclei dei reattori di potenza.
A temperature elevate-la corrosione dell'acqua accelera oltre i 200 gradi circa, a meno che la chimica dell'acqua non sia strettamente controllata.
La tensocorrosione è possibile in ambienti umidi dove le tensioni residue sono elevate.
Le leghe di zirconio sostituiscono l'alluminio laddove sono richieste temperature di esercizio più elevate e una lunga durata del ciclo del carburante.
Strutture di stoccaggio, schermatura e ricerca dei rifiuti
Nella gestione dei rifiuti, l'alluminio è un materiale temporaneo utile ma impegnativo a lungo-termine. Gli ambienti di stoccaggio umidi favoriscono la corrosione e la conseguente generazione di idrogeno, che deve essere gestita in contenitori sigillati. La lega, l'anodizzazione o il rivestimento vengono normalmente utilizzati per aumentare la durabilità e l'acciaio inossidabile rimane il materiale di riferimento per i pacchetti di smaltimento geologico a lungo-termine.
Per la schermatura, l'alluminio viene combinato con composti contenenti boro-come il carburo di boro per assorbire i neutroni mantenendo basso il peso, ed è rivestito con piombo o cemento dove è richiesta l'attenuazione gamma. La lavorabilità consente di adattare la geometria della schermatura alla disposizione del rivelatore e alle porte del fascio, mentre la bassa permeabilità magnetica evita il disturbo dei sistemi magnetici nelle installazioni di acceleratori e linee di fascio. L'alluminio ad alta-purezza viene utilizzato anche per i telai degli strumenti di diffusione dei neutroni e per il supporto del rilevatore laddove la contaminazione potrebbe distorcere la misurazione.
Smantellamento e recupero metalli
Quando un reattore di ricerca o un circuito di test viene ritirato, i componenti in alluminio vengono trattenuti per il decadimento dei prodotti di attivazione di breve-vita, quindi caratterizzati da un'indagine radiologica prima del rilascio. Il materiale a bassa-attività può essere fuso e rifuso per un riutilizzo limitato, ad esempio come blocchi schermanti, mentre le frazioni contaminate vengono destinate a percorsi autorizzati per i rifiuti radioattivi. Tassi di recupero dalla fusione superiori al 95% sono ottenibili per rottami puliti e qui si applica la stessa disciplina di segregazione delle leghe utilizzata nel riciclaggio convenzionale.
Domande frequenti
D: Perché l'alluminio viene utilizzato nei componenti dei reattori nucleari?
La sua sezione trasversale a basso assorbimento di neutroni- riduce al minimo l'interferenza con la reazione a catena, la sua elevata conduttività termica migliora il trasferimento di calore e il suo peso leggero semplifica la gestione di impianti in-pile e componenti interni.
D: L'alluminio viene utilizzato come rivestimento del combustibile nucleare?
Sì, ma principalmente nei reattori di ricerca e di prova. Il combustibile a piastre rivestite in-alluminio legato a rotoli- domina questi impianti perché è conveniente-e funziona ben al di sotto dei 200 gradi circa.
D: Quali sono le sfide dell’alluminio nello stoccaggio dei rifiuti nucleari?
L'umidità favorisce la corrosione e la generazione di idrogeno all'interno dei contenitori sigillati e la durabilità a lungo-termine è meno provata dell'acciaio inossidabile, pertanto per lo stoccaggio temporaneo sono necessari rivestimenti o la scelta delle leghe.
D: Come funziona l'alluminio nella schermatura nucleare?
La densità moderata combinata con le aggiunte di boro lo rende efficace per la schermatura dei neutroni, mentre è stratificato con piombo o cemento per l'attenuazione gamma e lavorato in geometrie personalizzate attorno ai rilevatori.
D: Perché l'alluminio-di elevata purezza viene utilizzato nelle strutture di ricerca?
La bassa attivazione e l'interferenza magnetica trascurabile impediscono ai componenti della linea di luce, ai telai degli strumenti e ai supporti dei bersagli di disturbare gli esperimenti di diffusione dei neutroni o i sistemi magnetici.
D: Quali leghe di alluminio sono comuni nei lavori nucleari?
1100 per rivestimenti a bassa-temperatura, 6061-T6 per componenti strutturali, 5052 per tubazioni e serbatoi, gradi Al-Ni-Fe per condizioni di test più calde e polvere di alluminio sinterizzato dove è necessaria resistenza alla dispersione.
