Przez dziesiątki lat w środowisku naukowym krążyło pewne fundamentalne pytanie, które mogło mieć kluczowe znaczenie dla przyszłości energetyki jądrowej. Chodziło o mikroskopijne pory w graficie – materiale odgrywającym niezwykle ważną rolę w reaktorach atomowych. Czy te drobne struktury faktycznie wpływają na bezpieczeństwo i efektywność działania całych systemów? Odpowiedź na to pytanie wreszcie nadeszła.
Co z tym grafitem?
Zespół badawczy z Oak Ridge National Laboratory postanowił raz na zawsze rozwiać te wątpliwości. Wykorzystując najnowocześniejsze metody badawcze, połączyli precyzyjne eksperymenty z rozpraszaniem neutronów z nowatorskim podejściem opartym na uczeniu maszynowym. Efekt ich pracy okazał się zaskakujący nawet dla samych naukowców.
Czytaj też: W końcu wiadomo. Tak ściany z litu blokują tryt w reaktorach fuzyjnych
Okazuje się, że naturalna porowatość grafitu nie ma takiego znaczenia, jak przez lata zakładano. Badania opublikowane w czasopiśmie Carbon jednoznacznie wykazały, że pory nie wpływają na zdolności moderacyjne tego materiału ani nie zakłócają kluczowych wibracji atomowych. To odkrycie podważa dziesięciolecia utrwalonych założeń w modelowaniu reaktorów.
Kemal Ramić z ORNL mówi:
Ta praca podkreśla moc łączenia najnowocześniejszego modelowania ze światowej klasy obiektami, takimi jak Spallation Neutron Source i High Flux Isotope Reactor, w celu rozwiązania złożonego i ważnego pytania dla energetyki jądrowej.
Co ciekawe, badacze odkryli, że zwiększone rozpraszanie neutronów w porowatym graficie wynika z zupełnie innych czynników niż dotychczas sądzono. Efekt ten jest spowodowany odbijaniem się neutronów od powierzchni porów, a nie – jak wcześniej zakładano – zniekształconymi wibracjami atomowymi. Problem tkwił w fundamentalnie błędnych założeniach modeli matematycznych, które traktowały pory poprzez proste usuwanie atomów z idealnej struktury krystalicznej.
W praktyce te nieprecyzyjne modele prowadziły do zawyżania współczynnika efektywnego mnożenia neutronów w obliczeniach krytyczności. Oznaczało to, że inżynierowie projektujący reaktory pracowali na niepełnych danych dotyczących bezpieczeństwa. Tymczasem rzeczywista struktura krystaliczna wokół porów pozostaje uporządkowana, co całkowicie zmienia sposób postrzegania zachowania grafitu.
Warto przyjrzeć się historycznemu znaczeniu tego materiału. Grafit towarzyszy technologii jądrowej od samego początku – już pierwszy reaktor Chicago Pile-1 z 1942 roku wykorzystywał bloki grafitowe jako moderator neutronów. Do dziś wiele reaktorów na świecie polega na tym materiale, co wynika z jego wyjątkowych właściwości. Grafit potrafi wytrzymywać ekstremalne temperatury, charakteryzuje się wysoką przewodnością cieplną, niską rozszerzalnością cieplną oraz wyjątkową odpornością na szok termiczny.
Typowy grafit jądrowy zawiera pory stanowiące od 15 do 25 procent jego objętości. Te mikroskopijne struktury, powstające w wyniku wydzielania gazu oraz pęknięć Mrozowskiego, mają rozkład fraktalny w zakresie od około 0,2 do 300 nanometrów. Przez lata sądzono, że właśnie te pory mogą wpływać na właściwości materiału.
Nowe odkrycie ma bezpośrednie konsekwencje dla bezpieczeństwa jądrowego. Skorygowane zrozumienie pokazuje, że porowatość ma znikomy wpływ na fizykę reaktora, co jest kluczowe dla ocen bezpieczeństwa obecnych i przyszłych reaktorów wykorzystujących grafit. Projektanci zyskują większą pewność, że grafit będzie spełniał swoje funkcje zgodnie z oczekiwaniami.
Badanie wykorzystało zaawansowane narzędzia obliczeniowe, w tym systemy SCALE, MCNP i OpenMC, aby zweryfikować swoje wnioski. Testy porównawcze neutroniczne potwierdziły, że poprzednie modele rzeczywiście niefizycznie zwiększały współczynnik mnożenia neutronów.