Science Des Matériaux et La Renaissance Nucléaire Globale

L'industrie nucléaire est à l'oeil « d'une tempête parfaite » avec les prix du gaz d'essence et d'huile et naturels près des niveaux les plus hauts, des demandes énergétiques mondiales augmentant à des tarifs alarmants, et des préoccupations accrues au sujet des émissions du gaz à effet de serre (GHG) qui ont fait regarder on négativement l'utilisation à long terme des combustibles fossiles. Cette convergence des facteurs a mené à un intérêt croissant pour la revitalisation de l'industrie nucléaire dans les Etats-Unis et en travers du globe.

On sont étonnés d'apprendre que l'énergie nucléaire fournit approximativement 20% du courant électrique aux USA et approximativement 16% de l'énergie électrique mondiale. Avec les facteurs ci-dessus à l'esprit, mondial plus de 130 projets neufs de réacteur sont considérés avec approximativement 25 applications neuves de laiss aux USA.

Les Matériaux ont longtemps joué très un rôle majeur dans l'industrie nucléaire avec des applications à travers le cycle du combustible entier ; de la fabrication d'essence pour gaspiller la stabilisation. Pendant Que la communauté internationale commence à regarder les systèmes et les cycles du combustible de réacteur de technologie avancée qui réduisent à un minimum des rebuts et augmentent la résistance de prolifération, les matériaux joueront un rôle encore plus grand. Plusieurs des concepts de réacteur de technologie avancée étant évalués fonctionnent à température élevée exigeant l'utilisation des matériaux durables et résistants à la chaleur.

Des essences métalliques et céramiques Avancées sont vérifiées pour un grand choix de concepts de réacteur du Rétablissement IV. Celles-ci comprennent les particules TRISO-enduites traditionnelles, les essences avancées d'alliage pour des applications de « profond-brûlure », ainsi que les essences avancées d'inerte-modification. Afin de réduire à un minimum des rebuts et des matériaux de legs, un certain nombre de retraitement du combustible de fonctionnements sont vérifiés. Les matériaux Avancés, continuent à fournir une cotisation indispensable « en fermant le cycle du combustible » par stabilisation de bas niveau associé et déchets fortement radioactifs en colles, céramique, et glaces hautement durables.

Au Delà de cette application d'énergétique de fission, l'énergie de fusion exigera les matériaux avancés capables de supporter les environnements extrêmes des systèmes à hautes températures de plasma. Les réacteurs À Fusion dépendront vraisemblablement de la céramique lithium-basée pour produire le tritium qui remplit de combustible le plasma de fusion, alors que les alliages ou la céramique à hautes températures contiendront et régleront le plasma chaud. Tous Les moment, alliages, céramique, et procédés liés céramique continuent à trouver des applications dans le management des rebuts et des sous-produits produits par ces procédés.

Essences Nucléaires et Revêtement

Les matériaux Avancés jouent un rôle important dans le rétablissement du courant électrique de la chaleur produite par fission nucléaire et dans les applications particulières par désintégration radioactive. Les essences Céramiques (nominalement les combustibles oxydes mixtes₂ UO ou Unité centrale-U (MOX)) offrent les températures de fusion élevée, la compatibilité chimique avec des matériaux de revêtement, la résistance améliorée à la corrosion, et la stabilité dimensionnelle combinée avec la retenue de produit de fission pendant l'irradiation. Ces propriétés de céramique prévoient une plus grande marge de sécurité au-dessus des essences métalliques, même en conduction thermique plus élevée et facilité de l'en métal de la fabrication.

Les techniques de traitement Variées ont avec succès produit des essences₂ d'UO comme puits comme PuO₂, ThO₂, et combinaisons variées des oxydes mélangés. Tous ces bioxydes ont une structure cristalline cubique face au centre sans des modifications de phase de température ambiante à leur point de fusion (°C) >2450. Changements de Phase et leurs modifications de volume associées des matériaux fragiles tels que ces stress localisés par cause de céramique généralement qui peuvent mener à fêler. L'absence de n'importe quelle modification de phase facilite non seulement la fabrication d'essence, mais augmente également l'intégrité de l'essence en réduisant à un minimum l'incidence des changements de température pendant le traitement, l'encapsulation, l'assemblage final, le transport et l'utilisation finale.

Pour des réacteurs de puissance, des boulettes₂ d'essences d'UO sont généralement fabriquées par appuyer à froid conventionnel et des techniques d'agglomération. Les boulettes agglomérées sont usinées pour classer, examinées et puis encapsulées dans le revêtement de Zircalloy ou d'acier inoxydable pour former des barres de combustible. Les tiges sont alors assemblées ou empaquetées pour charger dans le réacteur nucléaire. Des problèmes de fonctionnement de réacteur Varié ont été surmontés en réglant la microstructure et la chimie de l'essence. Par exemple, la stabilité dimensionnelle de l'essence pendant l'irradiation peut être réglée en s'épaississant la porosité résiduelle (de ~6%) de l'essence pendant la fabrication en rendant la poudre fraisée compacte, suivi de la granulation et de la répression avant d'agglomérer.

des essences (TRISO) Tri Isotropes ont été initialement développées en Allemagne pour les réacteurs refroidis à gaz à hautes températures. En essences de TRISO, le carbure ou l'oxyde en uranium est habituellement vêtu dans plusieurs couches de carbure pyrolytique de carbone et de silicium, et une solution tampon poreuse de carbone (voir le Schéma 1) pour maintenir des produits de fission aux températures élevées. Le produit donnant droit ressemble aux petits programmes noirs la taille des textures de sel. Ces particules sont formées dans des billes de graphite (dans des Réacteurs Modulaires de Bâti de Caillou actuel étant développés en Afrique du Sud) ou dans des barres de combustible de graphite (pour les réacteurs refroidis à gaz de noyau prismatique).

l'essence de type TRISO serait également utilisée dans certains des réacteurs du Rétablissement IV développé pour l'usage pendant ~30 années par un consortium multinational (GIF, le Forum d'International de Rétablissement IV) comprenant les ETATS-UNIS, le R-U, le Brésil, la France et le Japon (http://www.nuclear.gov). Six types de réacteur actuel sont examinés comprenant le sodium refroidi rapidement, rapide refroidi et refroidi à gaz d'alliage de plomb, très la température élevée (VHTR), l'eau supercritique et le sel fondu. Le VHTR, un concept à long terme développé par le Département de l'Énergie des USA (DOE) utilise l'hélium de température élevée comme refroidisseur. Ce réacteur très efficace et électrique alimentation fournirait la chaleur à un haut assez de température à l'hydrogène de produit de l'eau meilleur marché que l'électrolyse pour des applications automobiles et des cellules à combustible de famille.

Le Schéma 1. photomicrographes de SEM affichant la structure de couche d'une particule typique de TRISO.1

Pendant Que l'utilisation de l'énergie nucléaire devient plus répandue, les risques de sécurité augmentent à mesure qu'un résultat direct d'une réserve croissante de plutonium.² Plusieurs options sont disponibles pour traiter l'Unité Centrale de rebuts.³ L'Unité Centrale (qui est en grande partie enregistrée comme oxyde) peut être mélangée à l'UO₂ pour former un combustible de réacteur mélangé d'oxyde d'U/Pu (MOX) qui peut être employé pour développer l'alimentation électrique dans des Réacteurs À eau sous pression (PWRs) tout en brûlant une grande partie de la radioactivité.

Pour aborder des problèmes de sécurité au-dessus d'Unité Centrale, plusieurs pays comprenant les USA, la France, le Japon, et la Russie développent une base de technologie de pointe pour expliquer les cycles du combustible avancés qui offrent la résistance inhérente de prolifération. Des Essences Inertes de Modification (IMFs) sont considérées pour l'usage dans trois concepts distincts de cycle du combustible, ⁴ à savoir combustion d'Unité Centrale dans des réacteurs à eau légère Existants (LWRs), d'Unité Centrale brûlant dans des réacteurs rapides, et de la transmutation des actinides moins importants. Puisque les derniers deux scénarios comportent la construction des installations avancées, et le premier scénario se sert des réacteurs existants, les concepts peuvent être considérés comme classé chronologique en termes de mise en place potentielle.

Tout simplement, un FMI est un matériau qui brûle l'Unité Centrale et d'autres actinides sans multiplication de l'Unité Centrale (ou d'autres matériaux d'actinide). Par Conséquent, IMFs peut être employé pour produire l'énergie tout en avantageux éliminant des excès d'actinide. Il y a deux catégories importantes d'IMFs : essences « non-fertiles » qui ne contiennent pas l'uranium et ne produisent aucun isotope fissible et essences « faible-fertiles » qui contiennent l'Unité Centrale d'uranium et, en conséquence, de race et d'autres actinides moins importants.

Un grand choix de matériaux céramiques ont des propriétés les rendre attrayantes pour IMFs (voir le Tableau 1). Chacune de ces propriétés doit être représentée en concevant un FMI pour n'importe quelle application donnée. Par exemple, ZrO₂ est très difficile à retraiter et est considéré prolifération résistante, lui effectuant un candidat désirable pour « une fois-bien que » FMI (c.-à-d., l'essence n'est pas après utilisation réutilisé). Cependant, cette propriété gênerait de manière dégagée l'utilisation de ZrO dans₂ un cycle du combustible avancé se fondant sur la « brûlure-vers le bas » retraitante et continue des matériaux d'essence.

Les propriétés Matérielles du Tableau 1. de plusieurs matériaux céramiques pour la modification inerte remplit de combustible.

Une option supplémentaire pour immobiliser l'Unité Centrale si elle ne doit pas être réutilisée en essence ou si elle est contaminée et non utilisable en essence est dans une modification céramique.⁵ La recherche Active regarde actuel les wasteforms céramiques adaptés multiphasés (comme « Synroc ") et le monophasé basé (sur des pyrochlores) comme GdZrO₂₂₇ et zirconolite. Un problème potentiel avec une telle céramique cristalline est des dommages causés par les radiations menant au gonflement. Le travail Supplémentaire est nécessaire sur le traitement et le design céramiques des récipients adaptés pour les wasteforms céramiques.

En plus de ces matériaux d'essence, les avancements en alliages pour des tiges de combustible nucléaire de revêtement activeront des augmentations de dérivation de performance et d'énergie dans des systèmes existants de réacteur. La durée de vie d'essence (ou la combustion nucléaire) dans des systèmes conventionnels de LWR est souvent limitée par la capacité du matériau de revêtement de contenir des produits de fission. La Plupart Des designs d'essence utilisent Zircaloy pendant que le matériau et ceci de revêtement de référence induit des limites sur la combustion nucléaire moins de 20% et températures de fonctionnement moins de 400 °C. Afin de réaliser la combustion nucléaire accrue. Des environnements Plus Élevés de la température seront produits et l'habillage accru de gaz de fission devra être facilité. Les alliages renforcés pardispersion (ODS) Avancée activeront vraisemblablement ces états plus élevés de combustion nucléaire.

Systèmes de Réacteur De Technologie Avancée

Le réacteur Actuel conçoit si LWR, Réacteurs Rapides de Sodium (SFR), ou Bouillonne les Réacteurs Rapides (GFR), utilisent un grand choix de matériaux de construction suivant les indications du Tableau 2. Aux USA, la plupart de ces matériaux ont servi de technologie de spécification de base depuis les années 1980 où les derniers systèmes de réacteur ont été construits.

Matériaux du Tableau 2. de construction pour plusieurs types de réacteur.

Les développements d'Alliage et de matériau au cours des 20 dernières années activeront des améliorations dans la construction neuve de réacteur. Plusieurs conditions principales piloteront le développement :

• Économie : La technologie de Réacteur doit être économiquement compétitive.
• Souplesse : Un certain nombre de différentes missions peuvent être exigées (production d'électricité, chaleur de processus, burning d'isotope).
• Sécurité : Les Deux fonctionnalités de sécurité et défense inhérentes en profondeur seront exigées.

Le Choix des bons matériaux peut influencer chacun des trois facteurs :

• Économie : Réduisez les frais financiers par les denrées réduites et concevez les simplifications
• Souplesse : La performance matérielle Accrue permet des options plus grandes aux créateurs.
• Sécurité : La performance matérielle Améliorée introduit de plus grandes marges de sécurité et une performance plus stable au-dessus de plus longues durées de vie

Cycles du combustible Nucléaires Avancés

Une augmentation de l'utilisation de l'énergie nucléaire dans le monde entier aura comme conséquence une plus grande quantité de combustible nucléaire usé (UNF) qui doit être traitée pour la réutilisation ou la disposition à long terme. Il y a de recherche étant mondial exécuté pour évaluer des techniques de retraitement avancées. Les séparations de spécification de base que la technologie pour l'essence de LWR est le PUREX traitent développé pendant les années 1940 et les années 1950. Le procédé de PUREX est savent bien et sont sûrement actionnés aux échelles industrielles mondiales. Le procédé de PUREX, comme acronyme implique, daine, cependant, ayez comme conséquence la séparation de l'Unité Centrale qui est une préoccupation de prolifération.

L'objectif de la technologie de retraitement avancée est de développer les méthodes de séparation neuves qui activent la réutilisation et/ou la transmutation des constituants principaux d'essence (par exemple actinides) sans séparation d'Unité Centrale pure. Ces méthodes doivent être économiques (c.-à-d. traitement minimal), réduire à un minimum des flux de déchets et des volumes et activer la sauvegarde pertinente de la matière fissile. Des procédés Avancés sont évalués pour un certain nombre de différents cycles du combustible où réutilisez des composants utilisés d'essence ou la transmutation des composants utilisés d'essence est impliquée. En séparant les composants utilisés d'essence, il est possible de concevoir en fonction les formes de rebut les conditions d'élément spécifique et de disposition, mais ceci doit être équilibré avec les frais supplémentaires de traitement et de mémoire.

Les activités de recherche aqueuses Avancées de technologie dans le passé se sont concentrées sur le développement et la démonstration des procédés qui sont une variation du procédé de PUREX (à savoir les procédés de « UREX » qui ne produisent pas l'Unité Centrale pure). Plusieurs solutions de rechange ont été avec succès expliquées, mais la complexité des organigrammes de processus serait vraisemblablement trop coûteuse et difficile à utiliser dans une application à échelle industrielle. Les Améliorations en medias et matériaux de séparations pourraient activer une simplification des procédés alternatifs qui amélioreraient leur économie et capacité d'être déployé aux larges échelles requises pour faciliter l'UNF résultant des fonctionnements de réacteur.

Le traitement Électrochimique est d'intérêt particulier pour traiter des combustibles de réacteur rapide en métal, ou le traitement à petite échelle des oxyde-essences pour réutilisent du transuranics dans des réacteurs rapides. Le traitement Électrochimique utilise le sel fondu (souvent halogénure-basé) et a été expliqué sur une bureau d'études-échelle. Toutefois quelques problèmes techniques très importants pour un cycle du combustible fermé viable n'ont pas été expliqués, comme la reprise des éléments transuraniens, liquidation de sel et ne réutilisent pas, la détermination des pertes de processus, de la Recherche Etc. sur toutes ces zones est critique pour le déploiement potentiel d'utiliser-et du traitement électrochimique dans un cycle du combustible viable plein-fermé qui utilise les réacteurs rapides. Supplémentaire, les matériaux améliorés sont un besoin de medias de séparations et un matériel de processus qui activeront le déploiement économique.

L'incidence de la nanotechnologie sera ressentie dans plusieurs zones de l'industrie nucléaire pendant les décennies à venir ; plus ainsi qu'en technologie de séparations dans les rebuts nettoyez et déclassement. Des Matériaux tels que les filtres de SAMMs (Couches Unitaires Auto-Assemblées sur des Supports de Mesoporous) d'abord inventés par l'industrie pétrochimique sont développés (au Laboratoire National Du Nord-ouest Pacifique, PNNL) pour filtrer à l'extérieur de la substance difficile de flux de déchets aqueux dilués telle que le pertechnetate, l'I, le Cs, et le Sr. Ceux-ci utilisent des couches unitaires de zéolite sur des supports de silice et sont disponibles comme poudres, des petits programmes et les membranes et la recherche actuelle est visés concevant en fonction la couche unitaire et le support la substance de détail d'objectif.⁶

Stabilisation de Rebuts Nucléaires

La Glace est maintenant le matériau du choix pour comporter et immobiliser les radionucléides potentiellement dangereux dans les rebuts nucléaires de haut niveau (HLW). Les Facteurs qui contribuent à l'aptitude des formes de rebuts en verre entrent dans deux catégories principales. D'abord, les formes de rebut en verre possèdent la bonne résistance de produit. Les systèmes en verre Variés peuvent comporter un grand choix de compositions de rebut aux formes de rebuts de biens. Ces formes ont expliqué le bon produit chimique et la stabilité de performance ainsi que bonne mécanique de radiothérapie et thermique.

En Second Lieu, les formes de rebut-glace possèdent de bonnes caractéristiques de traitement. La technologie pour effectuer des formes de rebut-glace est bien développée et bien expliquée. des formes de Rebut-Glace s'échelonnant dans la taille banc et des produits de laboratoire aux boîtes de multi-tonne ont été avec succès produites à l'aide de melters céramiques ainsi que de techniques de fonte inca. des formes de Rebut-Glace ont été également produites pour un grand choix de déchets radioactifs simulés ainsi que réels. La Vitrification a été utilisée pour l'immobilisation de rebuts nucléaires pendant plus de 40 années en France, en Allemagne, en Belgique, en Russie, au R-U, au Japon, et aux ETATS-UNIS.

La Colle et les matériaux colle-basés également fournissent un moyen simple et rentable de la stabilisation de rebut et sont très utilisés pour des rebuts de niveau inférieur (LLW) et le traitement des déchets (ILW) de niveau intermédiaire. Les avantages Communs de la stabilisation au ciment comprennent ; continu ou traitement par lots aux températures ambiantes, matières premières bonnes marchées, aptitude à de grands ou petits volumes de beaucoup de différents types de rebut, et de capacité d'utiliser le matériel modulaire. La stabilisation/solidification De Rebut fait le plus généralement en mélangeant les rebuts aqueux-basés aux matériaux hydrauliques ou pouzzolaniques tels que des ciments Portland, Les colles d'aluminate de calcium, les colles de sulfo-aluminate (CSA) de calcium, les colles de phosphate de magnésium (aluminium), four poudre, les cendres volantes et les scories réactives.

Ces matériaux réagissent avec de l'eau aux cahiers insolubles de forme. Les systèmes Composés de la colle utilisant plusieurs de ces phases sont utilisés généralement par l'industrie nucléaire. Les phases de cahier hydratées encapsulent les particules solides dans les rebuts, coprécipitent la substance sélectée de contaminant, et adsorbent l'exès d'eau et les contaminants solubles. De plus, la chimie aqueuse du mélange de colle-rebuts peut être réglée de sorte que les contaminants solubles soient précipités de la solution simultanément avec la formation des phases de modification. Les Mélanges des ingrédients de ciment plus d'autres additifs tels que le silicate de sodium (tannant l'agent), règlent des accélérateurs et les retardateurs sont utilisés généralement.

En conséquence, une forme de rebut monolithique peut être produite aux températures ambiantes. Les formes de rebut peuvent également être conçues pour avoir un large éventail de propriétés. Les résistances à la pression s'échelonnent type de 50-3000 PSIs. La Viscosité et le temps de mise en route peuvent également être réglés pour répondre à des besoins de mélange et d'emplacement dictés par le procédé de production. Les colles Composées sont en général associées avec hautement un environnement d'alcali qui n'est pas adapté pour tous les rebuts ; Le métal d'Al par exemple corrodera dans un tel environnement. En conséquence, une boîte à outils de systèmes de la colle est développée comprenant des geopolymers, des colles de CSA, et des systèmes lancés par alcali avec au moins un adapté pour tous les types de rebut.⁷

Des formes de rebut Hydratées sont type utilisées pour stabiliser les déchets aqueux, comme, condensés hors des rebuts de gaz, des boues de galvanoplastie, des solutions de sel, des rebuts de maison de frêne d'incinérateur, de dépoussiéreur électrostatique et de sac, et chlorure de processus de résidus, comme, en métal et des bas d'hydroxyde des procédés de raffinage de minerai. Des matériaux De Ciment sont également employés dans un grand choix d'actions de réhabilitation de l'environnement pour stabiliser des boues de bassin d'infiltration, des saletés contaminées, et des sites d'élimination des déchets. De plus, des matériaux colle-basés sont également utilisés pour des fermetures de bidon et de pipeline de rebuts de souterrain. La condition normale pour cette application est prévention d'affaissement. Les coulis de ciment Portland Ou pompable basés, auto-mise à niveau, auto-rendant compacte remblaye contenir le ciment Portland Sont type utilisés pour la stabilisation de bidon. Le coulis Spécial ou remblayent des formulations également sont conçus pour stabiliser les contaminants résiduels qui ne peuvent avoir été retirés de ces bidons.

Conclusions

En Tant Que matériaux illustrés et avancés jouez un rôle majeur dans le cycle nucléaire, de la fabrication d'essence à l'irradiation et au retraitement à l'encapsulation sûre des produits de déchets nucléaires. Au Delà du ce, le développement des matériaux avancés et les procédés pour des applications nucléaires a mené aux améliorations de matériau et de procédé qui ont amélioré les matériaux conventionnels et disponibles dans le commerce. Par exemple, plusieurs des procédés et des rebut-formes développés pour encapsuler et stabiliser les rebuts nucléaires élevé-radioactifs maintenant sont utilisées pour atténuer des délivrances de rebuts dangereux et toxiques associées avec nombreux d'autres processus industriels. De Même, les avancements prolongés effectués par la communauté de matériaux ont amélioré des procédés nucléaires. Les Exemples comprennent ; alliage avancé et composants céramiques dans des soupapes et des pompes pour la résistance améliorée de radiothérapie et de corrosion, des creusets céramiques ou composés pour traiter les matériaux hautement radioactifs, et des melters bons marchés améliorés pour l'encapsulation des produits de déchets nucléaires.

L'utilisation accrue de l'énergie nucléaire de satisfaire la demande énergétique mondiale croissante produit bien plus d'opportunités pour les matériaux avancés. En Tant Que déploiement discuté et paisible d'énergie nucléaire exige la confiance accrue dans les essences qui sont par nature prolifération résistante. Supplémentaire, les cycles du combustible avancés seront de plus en plus « fermés, » comptant sur retraiter pour réduire à un minimum des rebuts et pour éliminer des préoccupations de prolifération. Les Avances et le déploiement répandu de ces technologies exigeront la croissance continue des matériaux avancés qui sont centraux aux parties de stabilisation de forme et de sous-produit d'essence de ces cycles du combustible. En Conclusion, en tant que davantage avances sont rendus tout conduisant au déploiement planification des systèmes énergétiques de fusion pendant le calendrier 2050, les matériaux avancés sera clé activant des matériaux dans de nombreuses zones.

Références

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2. Académie Nationale des Sciences des Etats-Unis, « Management et Destination de Plutonium Excédentaire, » (1994).
3. M.I. Ojovan et W.E. Lee, « Une Introduction à l'Immobilisation de Rebuts Nucléaires, » (Elsevier, Oxford R-U 2005).
4. R. Chawla et R.J.M. Konings, « Classification et Priorités pour la Future Recherche sur les Essences Inertes de Modification : Une synthèse étendue sur les réunions-débats, » Progrès dans l'Énergie Nucléaire, 38, 455-458 (2001).
5. G.R. Lumpkin, K.L. Smith, et M.G. Blackford, « Études Lourdes d'Irradiation d'Ion des Types de Structure de Columbite, de Brannerite et de Pyrochlore, » J. Nucl. Couvre-tapis. 289 [1-2] 177-187 (2001).
6. G.E. Fryxell, J. Liu, et S. Mattigood, « des Applications Environnementales des Couches Unitaires Auto-Assemblées sur Mesoporous Supporte (SAMMS) », la Technologie des Matériaux 14 188 (1999).
7. NOTA: Étape, « Réactions dans les Rebuts Nucléaires Encapsulés par Colle : Besoin de Boîte à outils de Différents Types de la Colle, » Adv. APPL. Céramique 105 [1] 13-20 (2006).
8. W.E. Lee, M.I. Ojovan, M.C. Stennett, et N.C. Hyatt, « Immobilisation des Déchets Radioactifs en Glaces, Matériaux Composites En Verre et Céramique, » Adv. APPL. Céramique 105 [1] 3-12 (2006).