طراحی سوخت هسته ای هیبریدی OCN–MAXو کامپوزیت چندفازی نوین خودترمیم شونده و فوق دما با ماتریس سرامیکی تقویت شده برای سامانه های پیشرفته راکتورهای نسل چهارم.

چکیده:

در این پژوهش، یک کلاس نوین از سوخت های هسته ای هیبریدی با نام OCN-MAX معرفی می شود که برای اولین بار فازهای اورانیوم دی اکسید (UO₂)، اورانیوم مونوکاربید (UC) و اورانیوم مونونیترید (UN) را در یک معماری کامپوزیتی چندفازی با ماتریس سرامیکی تقویت شده توسط فازهای MAX (شامل Ti₃SiC₂ و Ti₂AlC) یکپارچه می سازد. ساختار این سوخت به صورت گرادیانی و سه لایه طراحی شده است: یک هسته با چگالی بالا غنی از UC-UN، یک منطقه میانی غنی از UO₂، و یک پوسته خارجی تقویت شده با فاز MAX. این طراحی مهندسی شده به طور همزمان دستیابی به رسانش حرارتی فوق العاده (بیش از ۴۵ وات بر متر-کلوین در ۱۲۰۰ درجه سانتی گراد)، چقرمگی شکست بالا (بیش از ۸ مگاپاسکال-متر¹/²)، پایداری عملیاتی فراتر از ۲۰۰۰ درجه سانتی گراد و مهم تر از همه، قابلیت خودترمیمی ذاتی را ممکن می سازد. مکانیزم خودترمیمی مبتنی بر انبساط حجمی و جریان ویسکوز محصولات اکسیداسیون (مانند TiO₂، SiO₂، Al₂O₃) است که به طور انتخابی در دماهای بالا فعال شده و ترک های میکروسکوپی را ترمیم می نماید. این ویژگی منجر به کاهش چشمگیر آزادسازی گازهای شکافت و مهار گسترش ترک ها تحت تنش های حرارتی-مکانیکی می شود. تحلیل های نوترونیک، برتری این سوخت را با نشان دادن ضریب داپلر منفی قوی، نگهداری عالی محصولات شکافت و قابلیت سوخت گیری تا بیش از ۲۰ درصد FIMA تایید می کنند. مسیرهای ساخت پیشنهادی شامل تف جوشی پلاسمای جرقه ای (SPS) و پرس ایزواستاتیک داغ (HIP) است. سوخت پیشنهادی OCN-MAX به عنوان یک راهکار تحول آفرین، تمامی الزامات کلیدی راکتورهای نسل چهارم (به ویژه VHTR، GFR و MSR) را در محیط های با دمای بسیار بالا و شار نوترونی شدید برآورده کرده و مسیری واقعی به سوی نسل آینده سوخت های هسته ای با ایمنی ذاتی، تحمل حادثه بی سابقه و عملکرد فوق دما هموار می سازد.