عملکرد عایق الکتریکی سرامیکهای پیشرفته تحت تابش شدید

پتوهای سرامیکی و ماژولهای سرامیکی مواد عایق پیشرفتهای هستند که عمدتاً از الیاف مقاوم به دمای بالا ساخته شده از آلومینا (Al2O3) و سیلیکا (SiO2) تشکیل شدهاند. این مواد که به خاطر ویژگیهای عایق حرارتی استثنایی خود شناخته شدهاند، به طور گسترده در صنایع مختلف از جمله هوافضا، خودروسازی و تولید برق که مقاومت در برابر دمای بالا و ویژگیهای سبکوزن بودن از اهمیت بسیاری برخوردار است استفاده میشوند. توانایی پتوهای سرامیکی در عملکرد مؤثر در دماهای بالاتر از ۱۲۰۰ درجه سانتیگراد (۲۱۹۲ درجه فارنهایت) بدون تخریب قابل توجه، اهمیت آنها را در افزایش ایمنی و بهرهوری انرژی در کاربردهای صنعتی برجسته میسازد.
شکل ۱- پتوی سرامیکی
توسعهی مواد عایق سرامیکی مانند پتوی نسوز برای جلوگیری از افت فشار در سیستمهای پیشرفتهی پوششدهی با فلزات مایع در حال انجام است. تحقیقات اخیر، الزامات عایقهای مگنتوهیدرودینامیکی و محیطهای تابشی را در شرایط مرتبط با دِمو (DEMO) ارائه کردهاند.
شکل ۲- نیروگاه آزمایشی دِمو (DEMOnstration Power Plant)
ترکیبات
اکسیدهای مختلف و کاربید سیلیسیم (SiC) به عنوان مواد کاندید برای پوششهای عایق الکتریکی و قطعات الحاقی جهت کاهش افت فشار مگنتوهیدرودینامیکی در سیستمهای پتوی همجوشی فلز مایع پیشنهاد شدهاند. از جمله مراحل اولیه توسعه عایق مگنتوهیدرودینامیکی، مقادیر هدایتهای القا شده توسط تابش (یعنی افزایش هدایتها در اثر تحریک تابشی)، بر روی نمونههای حجیم و پوشش داده شده با استفاده از چندین منبع تابش ارزیابی شده است. در حالی که عملکرد عایقگونهی نمونههای پوشش داده شده با اکسید و صفحات کاربید سیلیسیم به دلیل ترکها، حفرهها، افزودنیهای تفجوشی و غیره نسبت به مواد حجیم با کیفیت و خلوص بالا ضعیفتر است، نتایج نشان میدهد که پدیده هدایت القا شده توسط تابش، مانع از دستیابی عایقهای مگنتوهیدرودینامیکی به عملکرد مورد نیاز (۳-۱۰ تا ۲-۱۰ زیمنس بر متر برای پوششها، ۱۰۲ زیمنس بر متر برای قطعات الحاقی) در دیوارهی اول پتو (۵۰۰ تا ۷۰۰ درجه سانتیگراد، چندین کیلوگری بر ثانیه) نخواهد شد.
استحکام مکانیکی و دوام
پتوهای سرامیکی دارای خواص مکانیکی عالی از جمله استحکام خمشی و سختی بالا هستند که برای حفظ یکپارچگی ساختاری تحت تنش حرارتی، بسیار حیاتی میباشد. این مواد معمولاً به دلیل پیوندهای کووالانسی قوی موجود در ساختار خود، مقادیر سختی بالاتر از ۲۰ گیگاپاسکال را نشان میدهند که به دوام آنها در محیطهای سخت کمک میکند. علاوه بر این، پتوهای سرامیکی حتی در دماهای بالا عملکرد خود را حفظ میکنند و مقاومت قابل توجهی در برابر سایش و تخریب شیمیایی نشان میدهند.
مقاومت شوک حرارتی
مقاومت شوک حرارتی یک ویژگی حیاتی برای سرامیکهای مورد استفاده در محیطهای حرارتی دینامیکی است. به عنوان مثال، سرامیکهای فوق دما بالا (UHTCs) مانند هافنیوم دیبورید و زیرکونیوم دیبورید، مقاومت قابل توجهی در برابر شوک حرارتی از خود نشان میدهند که به آنها اجازه میدهد بدون ترک خوردگی، تغییرات سریع دما را تحمل کنند. این ویژگی بطور خاص در کاربردهایی که شامل گرادیانهای حرارتی بالا هستند (مانند اجزای موتور)، اهمیت دارد.
خواص دیالکتریک
سرامیکها همچنین از استحکام دیالکتریک بالا و تلفات دیالکتریک پایین برخوردار هستند، که آنها را برای کاربردهای عایقبندی الکتریکی مناسب میسازد. دسترسی تجاری به سرامیکها با درجه خلوص بین ۹۴٪ تا ۹۹٫۸٪، استفاده از آنها را در محیطهای چالشبرانگیزی که نیاز به پایداری دیالکتریک است، امکانپذیر میسازد. این ویژگیها عملکرد قابل اطمینان را در قطعات و سیستمهای الکتریکی که در شرایط سخت کار میکنند، تضمین میکنند.
ویژگیهای سبکوزنی
یکی از مزایای مهم پتوها و ماژولهای سرامیکی، سبکوزن بودن آنهاست. برخلاف مواد عایق سنتی، الیاف سرامیکی هم سبکوزن و هم انعطافپذیر هستند که این ویژگی نصب آسان آنها در هندسههای پیچیده را ممکن میسازد و به کاهش وزن کلی در کاربردهای هوافضا کمک میکند. این ویژگی کارایی و عملکرد سیستمهایی را بهبود میبخشد که در آنها هر گرم وزن، دارای اهمیت است.
کاربردها
پتوها و ماژولهای سرامیکی به دلیل مقاومت حرارتی فوقالعاده، عایقکاری الکتریکی و استحکام مکانیکی بالا، در صنایع مختلف نقش اساسی دارند. کاربردهای متنوع آنها، بخشهای مختلفی از جمله صنایع شیمیایی، ساختوساز، الکترونیک، تولید برق و فناوریهای نوظهور را در بر میگیرد.
صنایع شیمیایی
در صنایع شیمیایی، مواد سرامیکی به دلیل مقاومت بالا و توانایی تحمل محیطهای خشن، به طور گسترده مورد استفاده قرار میگیرند. پایداری حرارتی آنها باعث میشود که برای عایقکاری و محافظت در محیطهای صنعتی مختلف مناسب باشند، که این امر ایمنی و کارایی را در عملیات پردازش شیمیایی تضمین میکند.
صنعت ساختوساز
مواد سرامیکی کاربردهای قابل توجهی در بخش ساختوساز، به ویژه در محیطهای مرتبط با مواد شیمیایی و مصالح ساختمانی دارند. این مواد به دلیل دوام و ویژگیهای زیباییشناختی مورد توجه قرار میگیرند و به استحکام ساختاری و جذابیت بصری پروژههای ساختمانی کمک میکنند. پیشرفتهای فناوری سرامیک عملکرد کلی مصالح ساختمانی را بهبود میبخشد و به پایداری و طول عمر بیشتر آنها کمک میکند.
ماژولهای پتوی فلز مایع خود-خنکشونده
موسسه ملی علوم همجوشی (NIFS) در ژاپن، مطالعاتی را در مورد فناوری سیستمهای پتوی مایع پیشرفته برای تولید برق با بازدهی بالا در دمای بیش از ۵۰۰ درجه سانتیگراد انجام دادهاند. در این سیستم پتو، یک فلز مایع (مانند لیتیوم و سرب-لیتیوم) یا یک نمک مذاب (مانند FLiBe وFLiNaBe) به عنوان تولیدکنندهی سوخت تریتیوم و خنککننده (تولیدکننده/خنککننده) در گردش است.
ماژول پتو برای راکتور مارپیچی
یکی از طرحهای ماژول پتوی مایع که در حال حاضر مورد بررسی قرار گرفته است، پتوهای LiPb و لیتیوم برای راکتور مارپیچی FFHR-d1 میباشد. توان همجوشی این راکتور ۳ گیگاوات و بار متوسط نوترونی دیواره ۵/۱ مگاوات بر متر مربع است. میزان بار نوترونی دیواره، مشابه راکتور توکاماک JA-DEMO است.
شکل ۳- راکتور توکاماک
عملکرد مورد نیاز عایقهای مگنتوهیدرودینامیکی و مواد کاندید
مطالعات تجربی و نظری اساسی در مورد اثرات مگنتوهیدرودینامیکی در یک مایع خنککننده فلزی که تحت میدان مغناطیسی قوی جریان دارد، برای چندین دهه انجام شده است. این تحقیقات بررسی افت فشار و تغییرات ضرایب انتقال حرارت به عنوان دو اثر مهم مگنتوهیدرودینامیکی بر عملکرد پتوهای فلز مایع را شامل میشود. برای کانالهای فلزی که نیاز به دفع حرارت دارند، پوششهای عایق میتوانند میزان افت فشار مگنتوهیدرودینامیکی را کاهش داده و در عین حال عملکرد بالایی در دفع حرارت داشته باشند. برای مجاری خنککننده پشت ماژولهای پتو که نیاز به دفع حرارت با عملکرد بالا ندارند، میتوان از قطعات عایق مگنتوهیدرودینامیکی مقاوم، مانند صفحات یا لولههای داخلی، استفاده کرد. عملکرد عایقگونهی مورد نیاز برای پوششهای سرامیکی با ضخامت حدود ۱۰ میکرومتر، کمتر از ۲-۱۰زیمنس بر متر در نظر گرفته میشود. تحلیلها نشان داد که با استفاده از پوششهای عایق، میتوان افت فشار مگنتوهیدرودینامیکی را بیش از ۲ مرتبه کاهش داد. از آنجا که ضخامت مورد نظر در فعالیتهای توسعهی مدنظر، عمدتاً در محدودهی ۱ تا ۱۰ میکرومتر است، هدف توسعه این است که رسانایی الکتریکی در محدودهی کمتر از ۳-۱۰ تا ۲-۱۰زیمنس بر متر حفظ شود.
مسائل مربوط به آسیب تابشی
آسیب تابشی تحت شرایط مرتبط با دِمو (DEMO)
میزان آسیبهای تابشی عایقهای مگنتوهیدرودینامیکی در دیوارهی اولیهی یک ماژول پتو، مطابق شکل ۴ محاسبه شده است. انرژی جابجایی و ضریب کارایی فرضشده در محاسبات به ترتیب ۴۰ الکترونولت و ۸/۰ است که مشابه مقادیر مربوط به مواد آهنی (Fe) میباشد. انرژی جابهجایی برای SiC برابر با ۲۸ الکترونولت در نظر گرفته شده است. زمانی که میزان آسیب در فولاد RAFM (فولاد فریتی/مارتنزیتی با کاهش فعالسازی) به dpa ۱۰۰) جابجایی به ازای هر اتم) برسد، میزان آسیب در مواد سرامیکی نیز حدود dpa ۱۰۰ محاسبه میشود.
آسیب تابشی و شدت میدان الکتریکی اعمال شده
در مطالعات انجام شده بر روی مواد Al₂O₃، کاهش دائمی عملکرد عایق الکتریکی به دلیل آسیب تابشی (یعنی تخریب الکتریکی القاشده توسط تابش) نیز از طریق آزمایشهای مختلف تابشی مورد بررسی قرار گرفته است. در حالی که تابش نوترونی با دوز تقریبا dpa 3، افزایش قابل توجهی در رسانایی مواد Al₂O₃ نشان نداد، اثر تخریب الکتریکی ناشی از تابش، در تابش پرتو یونی مشاهده شد. در این مطالعات، دما و میدان الکتریکی به عنوان پارامترهای مهمی در نظر گرفته شدند که منجر به پدیدهی تخریب الکتریکی ناشی از تابش میشوند. در این مطالعات، محدودهی دمایی ۲۰۰ تا ۶۰۰ درجهی سانتیگراد و میدان الکتریکی بیشتر از ۵۰ ولت بر میلیمتر به عنوان شرایطی پیشنهاد شده که به طور قابل توجهی تخریب الکتریکی القاشده توسط تابش را تشدید میکنند (منطقه خطر تخریب الکتریکی القاشده توسط تابش). تولید کلوئیدهای آلومینیوم در مواد Al₂O₃ به عنوان مکانیزم تخریب در عملکرد عایقکاری مورد بحث قرار گرفته است. در مورد عایقهای مگنتوهیدرودینامیکی، گزارش شده است که پس از تابش نوترونی شکافت با دوز dpa۸ ، افزایش قابل توجهی در رسانایی الکتریکی مواد SiC مشاهده نشده است. میزان آسیبپذیری چند dpa در ساعت را میتوان با استفاده از تابش پرتو یونی ایجاد کرد و تغییرات در عملکرد عایقها تا dpa ۱۰۰ را میتوان بررسی کرد.
مزایای پتوهای سرامیکی
پتوهای سرامیکی به دلیل خواص عایقکاری حرارتی فوقالعادهشان به طور گستردهای شناخته شدهاند و به همین دلیل در صنایع مختلف از جمله هوافضا، متالورژی و انرژی به عنوان گزینهای ترجیحی انتخاب میشوند. یکی از مزایای اصلی پتوهای سرامیکی، توانایی آنها در تحمل دماهای شدید در حالی که کارایی عایقکاری خود را حفظ میکنند، است. این پتوها عمدتاً از الیاف سرامیکی ساخته شدهاند که از مواد مقاوم در برابر دمای بالا مانند آلومینا، سیلیس یا زیرکونیا طراحی شدهاند. این ترکیب منجر به مقاومت حرارتی عالی و هدایت حرارتی پایین میشود که به آنها امکان میدهد انتقال حرارت را به طور مؤثر به حداقل برسانند. علاوه بر عملکرد حرارتی، پتوهای سرامیکی به بهبود بهرهوری انرژی در فرآیندهای صنعتی کمک میکنند. آنها با کاهش مصرف انرژی، به کاهش هزینههای تولید کمک میکنند که مزایای اقتصادی قابل توجهی برای کسبوکارها به ارمغان میآورد. سرمایهگذاری اولیه در پتوهای سرامیکی میتواند با صرفهجوییهای حاصل از کاهش وابستگی به انرژی و هزینههای نگهداری جبران شود. علاوه بر این، استفاده از پتوهای سرامیکی با تلاشهای جهانی برای پایداری همسو است، زیرا آنها میتوانند به طور قابل توجهی انتشار گازهای گلخانهای را کاهش داده و ردپای کربن فرآیندهای صنعتی را کم کنند.
تأثیرات زیستمحیطی
تأثیرات زیستمحیطی پتوها و ماژولهای سرامیکی، یک حوزهی مهم تمرکز در زمینه مواد و روشهای تولید پایدار را شامل میشود. پیشرفتهای اخیر در فناوری سرامیک با هدف کاهش ردپای کربن مرتبط با تولید و بهبود پایداری چرخه عمر محصولات صورت گرفتهاست.
شکل ۴- آسیبهای پرتویی محاسبهشده در دیوارهی اول. انرژی جابجایی و ضریب کارایی به ترتیب ۴۰ الکترونولت و ۰٫۸ در نظر گرفته شدهاند، به جز برای SiC که انرژی جابجایی آن ۲۸ الکترونولت است.
شکل ۵- نمایش عملکردهای عایقکاری مورد نیاز، افزایش رساناییها به دلیل دما و پدیدهی رسانایی ناشی از تابش در شرایط مرتبط با دِمو .(DEMO) در آغاز استفاده در یک ماژول پتو، در هر دو ماده اکسیدی و SiC، حاشیهای در حدود ۱ تا ۳ مرتبه وجود خواهد داشت.
چشمانداز آیندهی پتوهای سرامیکی
پتوهای سرامیکی و ماژولهای سرامیکی با پیشرفتهای قابل توجهی روبرو خواهد بود که توسط نوآوری و تقاضاهای در حال تحول بازار هدایت میشود. با توجه به اولویتبندی روزافزون صنایع بر پایداری و کارایی، انتظار میرود ادغام فناوریها و مواد جدید، تولید و کاربرد محصولات مبتنی بر سرامیک را متحول کند.