原子炉内のアルミニウム: 内部構造、被覆管および使用限界

なぜアルミニウムが原子炉に使用されるのか

アルミニウムは原子炉内で使用された最初の構造金属であり、今でも研究および試験機械の主力製品です。その理由は機械的なものではなく中性子によるものです。アルミニウムの熱中性子吸収断面積は約 0.23 バーンであるため、炉心近くに取り付けられたアルミニウム部品はステンレス鋼と比較して中性子消費が非常に少なくなります。 1942 年のシカゴ パイル-1 などの初期の重要な施設では、まさにその理由からアルミニウム被覆燃料が使用されていました。

寄生中性子吸収が低いため、臨界に必要な燃料在庫が控えめに保たれます。

237 W/mK に近い高い熱伝導率により、燃料プレートから冷却材に熱が効率的に移動します。

2.70 g/cm3 の低密度により、燃料要素と照射リグは軽量で扱いやすくなります。

約 200 度以下の水冷システムではウラン燃料との適合性が良好です。-

薄板、チャネル、薄壁チューブへの優れた加工性。{0}}

原子炉内部構造とコンポーネントの役割

研究炉内では、アルミニウムは 4 つの主な用途に使用されます。燃料要素被覆材とフレーム、照射および同位体製造リグ、ビーム管と反射器ハードウェア、冷媒配管とループの低温セクションのタンク. 6061- T6 押出材がデフォルトの構造グレードであり、1100 シートと 5052 チューブ カバー被覆材と配管の用途です。

また、中性子の透過性により、アルミニウムは、鉄鋼構造では利用可能な磁束が低下するため、実験位置に最も近い場所に設置する必要があるコンポーネントにも役立ちます。このため、ビームチューブ内の計器や接線設備には通常、アルミニウム製の支持フレームが使用されています。

燃料被覆管としてのアルミニウム

プレート-タイプの燃料要素が研究炉の主流を占めています。ウラン-アルミニウムまたはケイ化ウラン分散燃料肉は、アルミニウム合金カバープレート間でロールボンドされ、その後、ボックス要素に組み立てられる湾曲または平坦なプレートに成形されます。薄い酸化物層は水冷システムの保護障壁を形成し、クラッディングは核分裂生成物が一次冷却材に入らないようにします。{4}

クラッドの設計は、強度よりもむしろ気密性が重視されます。{0}燃料肉とカバープレートの間の接着品質は製造中に超音波検査によって検証され、完成した要素は装填前に寸法公差と表面欠陥がチェックされます。

原子力用途におけるアルミニウムの限界

温度は最初のハードリミットを設定します。アルミニウム合金は約 150 度を超えると劣化して強度が低下するため、発電用原子炉の一次冷却回路からアルミニウム合金が除外され、代わりにステンレス鋼やジルコニウム合金が使用されます。水の腐食は温度が上昇すると顕著になるため、クラッド表面の孔食を抑制するには正確な水の化学的制御が必要です。

照射により、2 番目の制限セットが追加されます。高中性子フルエンスでは、アルミニウムは空隙の膨張、成長、脆化を起こし、一方で核変換反応により金属内部にシリコンとヘリウムが生成されます。中性子捕捉により半減期 15 時間のナトリウム -24 が生成されるため、放射化は深刻ですが寿命は短く、そのためアルミニウム製ハードウェアは長期間の遠隔操作を必要とするのではなく、短い減衰期間の後に取り扱い可能になります。

アルミニウム製ハードウェアの廃棄とリサイクル

研究用原子炉またはテスト ループの廃止により、定義済みのアルミニウム ストリームが生成されます。つまり、燃料要素のハードウェアはすでに照射済み物質として管理されており、さらにタンク、ダクト、リグ フレームなどの低活動構造物も含まれます。{0}} -低活性金属は調査され、崩壊して貯蔵され、制限された再利用のために溶解され、多くの場合遮蔽ブロックとして再鋳造されますが、精錬ではきれいなアルミニウムの 95% 以上が回収されます。溶融精製と電解精製により、アルミニウムを重度の汚染から分離し、厳格な物質管理により、活性化された画分が認可された廃棄ルート内に留まります。

よくある質問

Q: 原子炉の部品にアルミニウムが使用されるのはなぜですか?
その熱中性子吸収断面積がわずか約 0.23 バーンであるため、反応度損失が低く抑えられ、熱伝導率が高いため、燃料プレートから冷却材への熱除去が向上します。-

Q: 原子力用途におけるアルミニウムの主な制限は何ですか?
合金は約 150 度を超えると強度を失い、高温では水腐食が加速し、中性子フルエンスが高いと膨張と脆化が発生します。したがって、発電炉では代わりにジルコニウム合金が使用されます。

Q: アルミニウムは核燃料被覆材としてどのように機能しますか?
約 200 度以下で良好に機能し、水冷システム内で薄い保護酸化物を形成します。-孔食を防ぐために水の化学的性質を制御する必要があり、商用発電用原子炉燃料には適していません。

Q: 原子力システムで一般的なアルミニウム合金はどれですか?
構造部品用の 6061-T6、低温-被覆材用の 1100、配管およびタンク用の 5052、高温試験サービス用の Al-Ni-Fe グレード、分散強度が必要な場合の焼結アルミニウム粉末。

Q: 廃止された原子炉からアルミニウムはどのようにリサイクルされますか?
活性化されたハードウェアは崩壊保存され、-ナトリウム-24 などの短寿命生成物が死滅した後、調査され、溶解されます。精錬では 95% 以上のきれいな金属が回収され、低活性アルミニウムはシールド ブロックに再鋳造されることがよくあります。

Q: アルミニウムの活性化はメンテナンス作業に重要ですか?
はい、ただし短期間だけです。ナトリウム-24の半減期は約15時間であるため、長寿命の活性化生成物を含むコンポーネントとは異なり、アルミニウムコンポーネントは短期間の冷却期間後に使用可能になります。