உலோகவியலும் அணுசக்தியில் அதன் பயன்பாடுகளும்

உலோகவியலும் அணுசக்தியில் அதன் பயன்பாடுகளும்

உலோகவியல் என்பது உலோகங்களின் கலவை, கட்டமைப்பு, செயல்முறைகள் மற்றும் பண்புகளுக்கு இடையிலான தொடர்புகளைப் பற்றி ஆய்வு செய்யும் பொருள் அறிவியல் மற்றும் பொறியியலின் ஒரு பிரிவாகும். அணுசக்தியைப் பொறுத்தவரை, உலோகவியல் ஒரு முக்கியப் பங்கு வகிக்கிறது. ஏனெனில், எரிபொருள் மற்றும் எரிபொருள் உறை முதல் உலை அழுத்தக் கலன்கள், வெப்பப் பரிமாற்றிகள் வரை கிட்டத்தட்ட அனைத்து முக்கிய அமைப்புகளும், கடுமையான சூழ்நிலைகளில் இயங்க வேண்டிய உலோகப் பொருட்களையே சார்ந்துள்ளன. உயர் வெப்பநிலை, தீவிர கதிர்வீச்சு வெளிப்பாடு, அரிக்கும் சூழல்கள் மற்றும் நீண்ட கால நம்பகத்தன்மைக்கான தேவைகள் ஆகியவை, அணுமின் நிலையங்களின் (NPPs) பாதுகாப்பு மற்றும் செயல்திறனில் உலோகத் தேர்வு மற்றும் செயலாக்கத்தை முக்கியக் காரணிகளாக ஆக்குகின்றன.

அணுசக்தி சுழற்சியில் உலோகவியலின் பங்கு

யுரேனியம்-235 அல்லது புளூட்டோனியம்-239 போன்ற கனமான அணுக்கருக்களின் பிளவு மூலம் அணுசக்தி உற்பத்தி செய்யப்படுகிறது. அணுக்கருக்கள் மிகவும் சிறியதாக இருந்தாலும், இந்த வினைகளைக் கட்டுப்படுத்தும் அமைப்புகள், இயந்திர ரீதியாகவும் வேதியியல் ரீதியாகவும் நிலையானதாக இருக்க வேண்டிய, மிகப் பெரிய அளவில் வடிவமைக்கப்பட்ட கருவிகளாகும். உலோகங்களைச் சுத்திகரித்தல் மற்றும் கலப்புலோகம் செய்தல், பாகங்கள் தயாரித்தல், வெப்பச் செயலாக்கம், பற்றவைத்தல், ஆய்வு செய்தல், மற்றும் செயல்பாட்டின் போது பொருட்களின் தேய்மானத்தை மதிப்பிடுதல் என ஒவ்வொரு கட்டத்திலும் உலோகவியல் உள்ளது. வேறுவிதமாகக் கூறினால், உலோகவியல் என்பது வெறுமனே "வலுவான பொருட்களைத் தேர்ந்தெடுப்பது" மட்டுமல்ல, பல பத்தாண்டுகளாகக் கதிர்வீச்சு மற்றும் உயர் வெப்பநிலைக்கு உட்பட்ட பிறகும் அவை பாதுகாப்பாக இருப்பதை உறுதி செய்வதாகும்.

அணு எரிபொருள் பொருட்கள்: தூளிலிருந்து உருண்டைகள் வரை

இலகு நீர் அணு உலைகளில் (LWRs) மிகவும் பொதுவான எரிபொருள், பீங்கான் உருண்டைகள் வடிவிலான யுரேனியம் டை ஆக்சைடு (UO₂) ஆகும். UO₂ ஒரு உலோகம் அல்ல என்றாலும், தூள் உலோகவியல், உருகுதல், அடர்த்தியாக்குதல் மற்றும் நுண்துளைக் கட்டுப்பாடு ஆகியவற்றின் மூலம் உலோகவியல் இதில் பெருமளவில் பயன்படுத்தப்படுகிறது. துகள் அளவு, நுண்துளைப் பரவல் மற்றும் மாசு உள்ளடக்கம் போன்ற நுண் கட்டமைப்பு அளவுருக்கள், வெப்பக் கடத்துத்திறன், பிளவு வாயு வெளியீட்டு விகிதம் மற்றும் உருண்டையின் பரிமாண நிலைத்தன்மை ஆகியவற்றைப் பாதிக்கின்றன. குறைந்த வெப்பக் கடத்துத்திறன், உருண்டையின் மைய வெப்பநிலையை உயர்த்தி, வெப்ப அழுத்தத்தை அதிகரித்து, சிதைவை விரைவுபடுத்தக்கூடும்.

சில மேம்பட்ட அணு உலை வடிவமைப்புகளில், குறிப்பாக வேக அணு உலைகளில், உலோக எரிபொருள்களும் (எ.கா., யுரேனியம்-சிர்கோனியம் அல்லது யுரேனியம்-புளூட்டோனியம்-சிர்கோனியம் கலப்புலோகங்கள்) பயன்படுத்தப்படுகின்றன. இங்கு, உலோகவியல் வடிவமைப்பின் மையமாக உள்ளது: கலப்புலோகத்தின் நிலை, உருகுநிலை, உறைப்பூச்சுடனான வேதியியல் இணக்கத்தன்மை மற்றும் கதிர்வீச்சின் கீழ் அதன் நடத்தை ஆகியவற்றைக் கட்டுப்படுத்துவது எப்படி என்பதே இதில் அடங்கும். உலோக எரிபொருள்கள் பொதுவாக பீங்கான் எரிபொருள்களை விட சிறந்த வெப்பக் கடத்துத்திறனைக் கொண்டுள்ளன, ஆனால் அவற்றின் வீக்கத்தையும் உறைப்பூச்சுடனான வேதியியல் இடைவினைகளையும் கட்டுப்படுத்த வேண்டியது அவசியமாகிறது.

எரிபொருள் உறை: பாதுகாப்பின் முதல் அரண்

உறை என்பது எரிபொருள் துகள்களைச் சூழ்ந்து, பிளவு விளைபொருட்களை உலை குளிரூட்டியிலிருந்து பிரிக்கும் ஒரு மெல்லிய குழாய் ஆகும். நீண்ட தூர உலைகளில் (LWRs), இந்த உறை பொதுவாக சிர்கோனியம் அடிப்படையிலானதாக (சிர்கலாய் அல்லது நவீன Zr கலப்புலோகங்கள்) இருக்கும். இதற்குக் காரணம், சிர்கோனியம் குறைந்த நியூட்ரான் உட்கிரகிப்புக் குறுக்குவெட்டைக் கொண்டிருப்பதும் (வினையில் குறுக்கிடுவதில்லை), மற்றும் அதிக வெப்பநிலையில் நீரில் நல்ல அரிப்பு எதிர்ப்பைக் கொண்டிருப்பதும் ஆகும். இருப்பினும், சிர்கோனியம் உறை, குறிப்பாக அசாதாரண சூழ்நிலைகளில், ஆக்சிஜனேற்றம் மற்றும் ஹைட்ரஜன் உருவாக்கம் (ஹைட்ரைடிங்) வடிவில் பெரும் சவால்களை எதிர்கொள்கிறது. கரைந்துள்ள ஹைட்ரஜன், உடையக்கூடிய ஹைட்ரைடுகளை உருவாக்கக்கூடும், அவை நெகிழ்வுத்தன்மையைக் குறைத்து, விரிசல் ஏற்படும் அபாயத்தை அதிகரிக்கின்றன.

உலோகவியல், கலப்புலோகக் கலவையை (Sn, Nb, Fe, மற்றும் Cr ஆகியவற்றை கட்டுப்படுத்தப்பட்ட செறிவுகளில்) மேம்படுத்துதல், படிக அமைப்பை ஒழுங்குபடுத்துவதற்கான வெப்பச் சிகிச்சை, மற்றும் பாதுகாப்பு ஆக்சைடு அடுக்கைக் கட்டுப்படுத்துதல் ஆகியவற்றின் மூலம் இதைச் சரிசெய்கிறது. சமீபத்திய ஆராய்ச்சியானது, மிக அதிக வெப்பநிலையில் ஆக்சிஜனேற்றத்தை அதிகம் எதிர்க்கும் திறன் கொண்ட FeCrAl கலப்புலோகங்கள் அல்லது பூசப்பட்ட சிர்கோனியம் போன்ற "விபத்தைத் தாங்கும் எரிபொருள்" (ATF) துறையிலும் விரிவடைந்து வருகிறது. நியூட்ரான் இணக்கத்தன்மை, அரிப்பு எதிர்ப்புத்தன்மை, மற்றும் பெருமளவிலான உற்பத்தித் திறன் ஆகியவற்றைத் தக்கவைத்துக் கொள்வதே இதில் உள்ள சவாலாகும்.

உலை அழுத்தக் கலன் மற்றும் உள்ளகக் கட்டமைப்பு: கதிர்வீச்சைத் தாங்கும் உயர் வலிமை எஃகு

அணு உலை அழுத்தக் கலன் (RPV) என்பது உயர் அழுத்தக் குளிரூட்டியைத் தாங்கி, அணு உலையின் மையப்பகுதியைச் சூழ்ந்திருக்கும் ஒரு பெரிய பாகமாகும். பொதுவாகப் பயன்படுத்தப்படும் பொருட்கள் அதிக உறுதித்தன்மை கொண்ட குறைந்த கலப்புலோக எஃகுகளாகும்; இவை பெரும்பாலும் அரிப்பைத் தடுப்பதற்காக உட்புற மேற்பரப்பில் துருப்பிடிக்காத எஃகால் பூசப்பட்டிருக்கும். நியூட்ரான் கதிர்வீச்சினால் ஏற்படும் உடையக்கூடிய தன்மை ஒரு உலோகவியல் சவாலாகும்: நியூட்ரான் வெளிப்பாடு நுண் கட்டமைப்பு மாற்றங்கள், நுண்ணிய வீழ்படிவுகளின் உருவாக்கம் மற்றும் தானிய எல்லைப் பிரிதல் ஆகியவற்றை ஏற்படுத்தக்கூடும், இது முறிவு உறுதித்தன்மையைக் குறைக்கிறது. இதன் விளைவாக, உடையக்கூடிய-நெகிழ்வான நிலைமாற்ற வெப்பநிலை மேல்நோக்கி நகரக்கூடும், இது குறிப்பிட்ட இயக்க வெப்பநிலைகளில் அந்தப் பொருளை முறிவுக்கு மிகவும் எளிதில் உள்ளாக்குகிறது.

இந்த அபாயங்களைக் கட்டுப்படுத்த, பயன்பாட்டு உலோகவியல் பின்வருவனவற்றைப் பயன்படுத்துகிறது:
1. கலவைக் கட்டுப்பாடு (எ.கா. உடையக்கூடிய தன்மையுடன் தொடர்புடைய குறிப்பிட்ட Cu, P, Ni உள்ளடக்கங்களைக் கட்டுப்படுத்துதல்).
2. வலிமை மற்றும் கடினத்தன்மையின் சமநிலையை அடைவதற்காக செய்யப்படும் வெப்பச் சிகிச்சை (குவென்ச்சிங்-டெம்பரிங்).
3. கண்காணிப்புத் திட்டம்: மூலப்பொருள் மாதிரிகள் மையப்பகுதிக்கு அருகில் வைக்கப்பட்டு, கதிர்வீச்சுப் பழமையடைதலைக் கண்காணிக்க அவ்வப்போது பரிசோதிக்கப்படுகின்றன.
4. சில சந்தர்ப்பங்களில், கடினத்தன்மையை ஓரளவு மீட்டெடுப்பதற்காக, அதே இடத்தில் பதப்படுத்துதல்.

உலைச் சூழலில் அரிப்பு மற்றும் சிதைவு

அணுமின் நிலையங்களில் ஏற்படும் அரிப்பு என்பது வெறும் "சாதாரண துரு" அல்ல. அது நீரின் வேதியியல் பண்புகள், உயர் வெப்பநிலை, அழுத்தம் மற்றும் கதிர்வீச்சு ஆகியவற்றின் கலவையை உள்ளடக்கியது. உதாரணமாக, துருப்பிடிக்காத எஃகு அல்லது நிக்கல் கலப்புலோகங்களில், குறிப்பாக கொதிக்கும் நீர் அணு உலை (BWR) சூழல்களில், அழுத்த அரிப்பு விரிசல் (SCC) ஏற்படலாம். மேலும், கதிர்வீச்சினால் ஏற்படும் அழுத்த அரிப்பு விரிசல் (IASCC) என்பதும் உண்டு. இதில், கதிர்வீச்சு அந்தப் பகுதியின் நுண்கட்டமைப்பையும் வேதியியலையும் மாற்றி, அப்பொருள் விரிசல் ஏற்படுவதற்கு அதிக வாய்ப்புள்ளதாக ஆக்குகிறது.

அழுத்தப்பட்ட நீர் அணு உலையின் (PWR) முதன்மை குளிர்விப்பான் அமைப்பில், அலாய் 600/690 போன்ற நிக்கல் கலப்புலோகங்கள் சில குறிப்பிட்ட கூறுகளில் (எ.கா., நீராவி ஜெனரேட்டர் குழாய்கள்) பரவலாகப் பயன்படுத்தப்படுகின்றன. சரியான கலப்புலோகத்தைத் தேர்ந்தெடுப்பதிலும், பற்றவைப்பு செயல்முறையைக் கட்டுப்படுத்துவதிலும், மற்றும் எஞ்சிய அழுத்தங்களைக் குறைப்பதற்காக பற்றவைப்புக்குப் பிந்தைய வெப்பச் சிகிச்சை (PWHT) மற்றும் பழுதுபார்க்கும் நுட்பங்கள் போன்ற தணிப்பு நடவடிக்கைகளைச் செயல்படுத்துவதிலும் உலோகவியல் ஒரு முக்கியப் பங்கு வகிக்கிறது.

பற்றவைப்பு மற்றும் புனையமைப்பு: பாதுகாப்பைத் தீர்மானிக்கும் “விவரங்கள்”

அணுக்கருக் கூறுகள் பெரும்பாலும் பெரியதாகவும் சிக்கலானதாகவும் இருப்பதால், பற்றவைப்பு அவசியமாகிறது. இருப்பினும், பற்றவைப்பானது ஒரு தனித்துவமான நுண் கட்டமைப்பு, அதிக எஞ்சிய அழுத்தங்கள் மற்றும் சாத்தியமான குறைபாடுகளைக் கொண்ட வெப்பத்தால் பாதிக்கப்பட்ட மண்டலத்தை (HAZ) உருவாக்கக்கூடும். பற்றவைப்பு உலோகவியலானது, நிரப்பு உலோகத் தேர்வு, வெப்ப உள்ளீட்டுக் கட்டுப்பாடு, பற்றவைப்புக்கு முந்தைய மற்றும் பிந்தைய வெப்பச் சிகிச்சை, மற்றும் மீயொலி சோதனை மற்றும் கதிரியக்கப் படமெடுத்தல் போன்ற அழிவற்ற ஆய்வு (NDT) ஆகியவற்றில் கவனம் செலுத்துகிறது.

பற்றவைக்கப்பட்ட இணைப்புகளின் நம்பகத்தன்மை மிகவும் இன்றியமையாதது, ஏனெனில் ஆற்றல் துறையில் ஏற்படும் பல பழுதுகள், அழுத்தச் செறிவுகளில் உருவாகும் சிறிய விரிசல்களிலிருந்து தொடங்குகின்றன. அணுசக்தித் துறையில், உற்பத்தி மற்றும் ஆய்வுத் தரநிலைகள் மிகவும் கடுமையானவை, எனவே உலோகவியல் அணுகுமுறையானது தர மேலாண்மை மற்றும் வடிவமைப்பு நெறிமுறைகளுடன் (எ.கா., ASME கொதிகலன் மற்றும் அழுத்தக் கலன் நெறிமுறை) ஒருங்கிணைக்கப்பட வேண்டும்.

அடுத்த தலைமுறை உலைகளுக்கான பொருட்கள்

உருகிய உப்பு உலைகள் (MSRs), சோடியம் குளிர்விக்கப்பட்ட வேக உலைகள் (SFRs), மற்றும் உயர்-வெப்பநிலை உலைகள் (HTGRs) போன்ற மேம்பட்ட உலைகள், புதிய உலோகவியல் சவால்களை முன்வைக்கின்றன. வெவ்வேறு குளிர்விப்பான் சூழல்கள் வெவ்வேறு அரிமான வழிமுறைகளைக் குறிக்கின்றன. எடுத்துக்காட்டாக, MSR-களில், பொருட்கள் உயர் வெப்பநிலையில் உருகிய ஃபுளூரைடு/குளோரைடு உப்புகளால் ஏற்படும் அரிமானத்தை எதிர்க்கும் திறன் கொண்டவையாகவும், அதே நேரத்தில் நுண் கட்டமைப்பு ரீதியாக நிலையானவையாகவும் இருக்க வேண்டும். நிக்கல் அடிப்படையிலான உலோகக் கலவைகள் (வரலாற்று எடுத்துக்காட்டு: ஹாஸ்டெல்லாய்-N) பொருத்தமான தேர்வுகளாகும், ஆனால் நீண்ட இயக்க ஆயுள் மற்றும் கடுமையான உப்பு வேதியியல் கட்டுப்பாட்டின் தேவை காரணமாக அவற்றின் மேம்பாட்டுப் பணிகள் தொடர்ந்து நடைபெற்று வருகின்றன.

வேக அணு உலைகளில், கட்டமைப்புப் பொருட்கள் அதிக நியூட்ரான் பாய்வுகளையும் உயர் வெப்பநிலைகளையும் எதிர்கொள்கின்றன. இது, சில ஆஸ்டெனிடிக் எஃகுகளை விட கதிர்வீச்சு வீக்கத்தை அதிகம் எதிர்க்கும் திறன் கொண்ட மார்டென்சிடிக்-ஃபெரிடிக் எஃகுகள் (எ.கா., 9–12% Cr) மீதான ஆராய்ச்சிக்கு வழிவகுக்கிறது. மறுபுறம், மீஉயர் வெப்பநிலைக் கூறுகளுக்கு சூப்பர் அலாய்கள் அல்லது கலப்பு பீங்கான்கள் கூட தேவைப்படலாம், ஆனால் இடைமுகங்கள், இணைப்புகள் மற்றும் வெப்ப-இயந்திரவியல் பண்புகளின் அடிப்படையில் அவற்றுக்கு உலோகவியல் தேவைப்படுகிறது.

மூடுகிறது

அணுசக்தியைப் பாதுகாப்பாகவும், நிலையாகவும், சிக்கனமாகவும் இயக்குவதற்கு உலோகவியல் ஒரு அடித்தளமாக விளங்குகிறது. அரிப்பு மற்றும் ஹைட்ரைடிங்கை எதிர்க்க வேண்டிய சிர்கோனியம் உறை முதல், பல பத்தாண்டுகால நியூட்ரான் தாக்குதலின் கீழும் உறுதியாக இருக்க வேண்டிய உலை அழுத்தக் கலன்கள் வரை, அமைப்பு மட்டத்தில் ஏற்படும் அரிப்பு மற்றும் பற்றவைப்பு சவால்கள் வரை, அனைத்தும் நுண் கட்டமைப்புக்கும் பொருட்களின் பண்புகளுக்கும் இடையிலான உறவுகள் குறித்த ஆழமான புரிதலைச் சார்ந்தே இருக்கின்றன. அடுத்த தலைமுறை உலை மேம்பாட்டுக் காலத்தில், உலோகவியலின் பங்கு இன்னும் பெரிதாகிறது: உயர் வெப்பநிலைகள், புதிய குளிரூட்டும் சூழல்கள் மற்றும் மேலும் கடுமையாக்கப்படும் பாதுகாப்பு இலக்குகள் ஆகியவற்றின் தேவைகளுக்குப் புதுமையான உலோகக் கலவைகள், மேம்பட்ட உற்பத்தி நுட்பங்கள் மற்றும் மிகவும் துல்லியமான சிதைவு கண்காணிப்பு முறைகள் தேவைப்படுகின்றன. எனவே, உலோகவியலில் ஏற்படும் முன்னேற்றங்கள் அணுசக்திக்கு ஆதரவளிப்பது மட்டுமல்லாமல், பாதுகாப்பான மற்றும் நீடித்த அணுசக்தித் தொழில்நுட்பத்தின் எதிர்காலத்தையும் வடிவமைக்கின்றன.