Evolution of TRi-structural ISOtropic (TRISO) Fuel Material Properties Under Simulated Repository Irradiation Conditions
यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि डीप जियोलॉजिकल रिपॉजिटरी की स्थितियों के तहत अल्फा और गामा विकिरण, TRISO ईंधन की PyC और SiC परतों में संरचनात्मक और यांत्रिक परिवर्तन उत्पन्न करते हैं, जिसमें भंगुरता में वृद्धि और तापीय सुधार का अभाव शामिल है, जो दीर्घकालिक रोकथाम अखंडता से समझौता कर सकता है।
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गहरे भूमिगत, एक प्रस्तावित परमाणु अपशिष्ट भंडार की शांत अंधकार में, प्रयुक्त ईंधन समय के अपने कार्य को करने की प्रतीक्षा में पड़ा है। हजारों वर्षों तक, यह ईंधन विकिरण उत्सर्जित करता रहेगा, जो इसे थामने वाली सामग्रियों को धीरे-धीरे बदलता रहेगा। विचाराधीन ईंधन आधुनिक इंजीनियरिंग का एक चमत्कार है: कार्बन और सिरेमिक की परतों से ढके सूक्ष्म गोले, जिन्हें खतरनाक परमाणुओं को अंदर कैद करने के लिए डिज़ाइन किया गया है। ये गोले, जिन्हें ट्रिसो (TRISO) कण कहा जाता है, परमाणु रिएक्टर की गर्मी और दबाव को सहने के लिए बनाए गए हैं। लेकिन वैज्ञानिक अब जो प्रश्न पूछ रहे हैं वह यह है कि क्या वे उस निरंतर विकिरण के प्रहार को भी सह सकते हैं जो रिएक्टर बंद होने के लंबे समय बाद भी होता रहता है। एक गहरे भूगर्भीय भंडार में, ईंधन को सैकड़ों मीटर नीचे दफनाया जाता है, जिसे चट्टानों और इंजीनियर बाधाओं द्वारा सुरक्षित किया जाता है। फिर भी, ईंधन स्वयं रेडियोधर्मी बना रहता है, लगातार अल्फा और गामा किरणें उत्सर्जित करता रहता है। अल्फा कण भारी और धीमे होते हैं, जो जल्दी रुक जाते हैं, जबकि गामा किरणें हल्की और तेज होती हैं, जो बहुत दूर तक जाने में सक्षम होती हैं। सदियों के दौरान, यह विकिरण ईंधन के सुरक्षात्मक कवच की मजबूती और संरचना को सूक्ष्म रूप से बदल सकता है, जिससे संभावित रूप से दरारें या विफलता आ सकती है। इस तरह की स्थितियों में सामग्री कैसे उम्र लेती है, इसे समझना यह सुनिश्चित करने के लिए आवश्यक है कि अपशिष्ट लंबे समय तक सुरक्षित रूप से समाहित रहे।
पश्चिमी विश्वविद्यालय, कनाडा की शोधकर्ताओं की एक टीम ने ठीक यही परीक्षण करने का निर्णय लिया कि ये सुरक्षात्मक परतें गहरे भूगर्भीय भंडार में अपेक्षित विशिष्ट विकिरण स्थितियों के प्रति कैसे प्रतिक्रिया करती हैं। उन्होंने ट्रिसो कण की दो सबसे महत्वपूर्ण परतों पर ध्यान केंद्रित किया: पायरोलिटिक कार्बन की एक परत, जो ग्रेफाइट का एक रूप है, और सिलिकॉन कार्बाइड की एक परत, जो एक कठोर सिरेमिक है। समय के बीतने और विकिरण के प्रभावों को बिना सदियों प्रतीक्षा किए सिम्युलेट करने के लिए, वैज्ञानिकों ने ईंधन कणों पर आयन दागने के लिए एक कण त्वरक (पार्टिकल एक्सेलेरेटर) का उपयोग किया। उन्होंने भारी अल्फा कणों की नकल करने के लिए हीलियम आयनों का उपयोग किया और क्षति की प्रक्रिया को तेज करने के लिए गोल्ड (सोना) आयनों का उपयोग किया, क्योंकि भारी आयन बहुत कम समय में समान क्षति उत्पन्न करते हैं। उन्होंने कणों को तीव्र गामा विकिरण के संपर्क में भी लाया, जैसा कि ईंधन द्वारा रेडियोधर्मी तत्वों के क्षय से अनुभव किया जाएगा। महत्वपूर्ण रूप से, उन्होंने इनमें से कुछ प्रयोग कमरे के तापमान पर और कुछ 100 डिग्री सेल्सियस पर किए, जो भंडार के वातावरण में अपेक्षित तापमान है, ताकि यह देखा जा सके कि क्या गर्मी सामग्रियों को उनके नुकसान से खुद को ठीक करने में मदद करती है।
परिणामों ने यह स्पष्ट कर दिया कि दो प्रकार के विकिरण ईंधन को कैसे प्रभावित करते हैं। जब कणों पर गामा किरणों की बमबारी की गई, तो सामग्रियां वास्तव में नरम हो गईं। सिलिकॉन कार्बाइड की परत, जो सामान्यतः अत्यंत कठोर होती है, ने अपनी कुछ कठोरता खो दी, और कार्बन परत भी दबाव के प्रति कम प्रतिरोधी हो गई। यह कोमलता मापने योग्य थी; सामग्रियों ने एक सूक्ष्म जांच (प्रोब) को मूल, अन-विकिरणित ईंधन की तुलना में अधिक गहराई तक धंसने की अनुमति दी। शोधकर्ताओं ने देखा कि गामा विकिरण ने कोई बड़ा रासायनिक परिवर्तन नहीं किया या परमाणुओं को जोड़ने वाले बंधों को इस तरह नहीं तोड़ा जिससे रासायनिक विश्लेषण में दिखाई दे, लेकिन इसने सामग्री की यांत्रिक पकड़ को कमजोर कर दिया। यह सुझाव देता है कि लंबे समय में, निरंतर गामा विकिरण परतों को अधिक लचीला बना सकता है, जो एक दोधारी तलवार हो सकता है: यह ईंधन को टूटने के बिना मुड़ने की अनुमति दे सकता है, लेकिन इसका अर्थ यह भी हो सकता है कि परतें आंतरिक दबाव के विरुद्ध अपना आकार बनाए रखने में कम सक्षम होंगी।
इसके विपरीत, अल्फा विकिरण से होने वाली क्षति, जिसे आयन बीम द्वारा सिम्युलेट किया गया था, बहुत अधिक गंभीर थी और एक अलग परिणाम की ओर ले गई। जब शोधकर्ताओं ने परतों पर हीलियम या गोल्ड आयनों की बमबारी की, तो सामग्रियां नरम नहीं हुईं; इसके बजाय, वे काफी कठोर और सख्त हो गईं। उदाहरण के लिए, सिलिकॉन कार्बाइड की परत इतनी कठोर हो गई कि उसने मूल सामग्री की तुलना में जांच का अधिक प्रतिरोध किया। इस कठोरता के साथ सामग्री की आंतरिक संरचना में एक मौलिक परिवर्तन हुआ। सिलिकॉन कार्बाइड में परमाणुओं की व्यवस्थित, क्रिस्टलीय व्यवस्था बिखर कर एक अव्यवस्थित, कांच जैसी अवस्था में बदल गई, और कार्बन परतों ने अपनी संगठित संरचना खो दी, जो परमाणुओं के एक उलझे हुए ढेर की तरह हो गई। इस प्रक्रिया को एमोर्फाइजेशन (अनाकारता) कहा जाता है, जहाँ एक ठोस सामग्री अपनी क्रिस्टल संरचना खो देती है। शोधकर्ताओं ने पाया कि क्षतिग्रस्त सामग्री को 100 डिग्री सेल्सियस तक गर्म करने से भी कोई उल्लेखनीय सुधार नहीं हुआ; सामग्रियां अपनी मूल स्थिति में वापस नहीं आईं, न ही उन्होंने इन परिस्थितियों में अपने मूल गुणों को पुनः प्राप्त किया। भारी आयन बमबारी के कारण होने वाले संरचनात्मक परिवर्तन इस तापमान पर अपरिवर्तित रहे।
यह अध्ययन परमाणु ईंधन के उम्र बढ़ने के एक महत्वपूर्ण अंतर को उजागर करता है। जबकि ईंधन के क्षय से होने वाला गामा विकिरण सुरक्षात्मक परतों को धीरे-धीरे नरम कर सकता है, अल्फा विकिरण, जो ईंधन के कर्नेल के भीतर भारी परमाणुओं द्वारा उत्सर्जित होता है, एक अधिक नाटकीय परिवर्तन का कारण बनता है। यह अल्फा विकिरण एक कठोर, भंगुर कवच बनाता है जो मूल सामग्री से संरचनात्मक रूप से भिन्न है। चूंकि भंडार की गर्मी इस क्षति को ठीक करने के लिए पर्याप्त नहीं है, इसलिए ईंधन के कण हजारों वर्षों तक इस परिवर्तित, कठोर अवस्था में रह सकते हैं। कठोरता और संरचना में यह परिवर्तन महत्वपूर्ण है क्योंकि यह प्रभावित करता है कि ईंधन तनाव के प्रति कैसे प्रतिक्रिया करता है। एक सामग्री जो बहुत कठोर और भंगुर हो जाती है, वह दबाव में टूटने के प्रति अधिक संवेदनशील हो सकती है, जो इसके रेडियोधेक्टिव कचरे को रोकने की क्षमता को खतरे में डाल सकती है। शोधकर्ताओं ने निष्कर्ष निकाला कि हालांकि ईंधन मजबूत है, लेकिन अल्फा विकिरण के दीर्घकालिक प्रभाव महत्वपूर्ण हैं और यह कोटिंग परतों के टूटने या फ्रैक्चर होने की संवेदनशीलता को बढ़ा सकते हैं, जो यह सुझाव देता है कि ईंधन के नियंत्रण की अखंडता सामग्री के स्वयं के इन सूक्ष्म, स्थायी परिवर्तनों को समझने पर निर्भर करती है।
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