Koniec długotrwałej niepewności
Naukowcy z Oak Ridge National Laboratory wykorzystali zaawansowane techniki badawcze, aby ostatecznie rozstrzygnąć kwestię, która dzieliła specjalistów od dziesięcioleci. Przełomowe badanie oparte na rozpraszaniu neutronów w połączeniu z nowatorskimi modelami opartymi na uczeniu maszynowym pozwoliło na dokładną analizę struktury grafitu w skali atomowej. Rezultaty okazały się zaskakująco jednoznaczne. Okazało się, iż struktura krystaliczna wokół mikroskopijnych porów pozostaje uporządkowana, co podważa dotychczasowe założenia. Zwiększone rozpraszanie neutronów wynika z interakcji z powierzchnią porów, a nie z zakłóceń w drganiach atomów.
Czytaj też: Stworzyli superakumulator. Tak tanich i wydajnych magazynów energii jeszcze nie widzieliśmy
Kluczem do sukcesu okazało się połączenie klasycznych metod z najnowszymi osiągnięciami technologii. Badacze zastosowali potencjały atomowe DeepMD, które wykorzystują uczenie maszynowe do modelowania zachowania materiałów. Ta innowacyjna technika umożliwiła przeprowadzenie symulacji o niespotykanej dotąd precyzji.
Praca ta podkreśla siłę połączenia 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 – wyjaśnia Kemal Ramić, badacz z ORNL
Historyczna rola grafitu w energetyce
Grafit towarzyszy energetyce jądrowej właściwie od jej narodzin. W 1942 roku bloki tego materiału posłużyły jako moderator neutronów w Chicago Pile-1, czyli pierwszym reaktorze jądrowym w historii. Od tamtej pory stał się nieodzownym komponentem wielu typów reaktorów na całym świecie. Właściwości fizyczne grafitu czynią go niemal idealnym moderatorem, ponieważ wytrzymuje ekstremalne temperatury i skutecznie spowalnia neutrony, umożliwiając kontrolowaną reakcję łańcuchową. Naturalna porowatość tego materiału, wynosząca zwykle 15-25% objętości, powstaje podczas procesu produkcyjnego.
Czytaj też: Bezobsługowy reaktor jądrowy na statku handlowym. Samsung Heavy Industries pisze historię transportu
Przez lata bazy danych jądrowych, w tym popularna ENDF/B-VIII.1, opierały się na nieprecyzyjnych modelach uwzględniających porowatość. Symulacje komputerowe usuwały przypadkowe atomy z struktury grafitu, co prowadziło do sztucznych zniekształceń i przeszacowania współczynnika mnożenia neutronów. Te nieścisłości wpływały na obliczenia krytyczności reaktorów – parametru kluczowego dla bezpieczeństwa, określającego czy reakcja jądrowa pozostanie stabilna. Najnowsze analizy wskazują, że obawy związane z porowatością były w dużej mierze nieuzasadnione.
Co to oznacza dla przyszłości energetyki?
Odkrycie ma szczególne znaczenie dla reaktorów nowej generacji. Konstrukcje takie jak reaktory wysokotemperaturowe czy systemy wykorzystujące stopione sole w znacznym stopniu polegają na graficie jako moderatorze lub reflektorze neutronów. Wprowadzenie poprawnych danych fizycznych do współczesnych modeli obliczeniowych potwierdza minimalny wpływ porowatości na bezpieczeństwo. Daje to inżynierom większą swobodę w projektowaniu przyszłych reaktorów, choć warto podchodzić do tych ustaleń z pewną dozą ostrożności. Badanie zamyka ważny rozdział w historii technologii jądrowej. Po osiemdziesięciu latach niepewności naukowcy mogą z większym przekonaniem stwierdzić, iż naturalna porowatość grafitu nie stanowi istotnego zagrożenia dla bezpieczeństwa reaktorów. To ustalenie nie tylko uspokaja dawne obawy, lecz dodatkowo tworzy podstawy dla bardziej precyzyjnego projektowania przyszłych elektrowni atomowych.