Zahtjevi za legure za nuklearne elektrane: Što trebate znati

Uvod

Nuklearna elektrana jedno je od materijalno najzahtjevnijih okruženja na Zemlji. Legure koje se koriste unutar reaktora moraju istodobno izdržati ekstremnu toplinu, intenzivno zračenje, visok{1}}vodu ili paru pod visokim tlakom i nemilosrdnu prijetnju korozije - često 60 ili više godina bez zamjene. Pogriješite s materijalom, a posljedice se kreću od skupih neplaniranih gašenja do, u najgorem slučaju, radioaktivne kontaminacije.

Ovaj vodič objašnjava koji se tipovi nehrđajućeg čelika i legura nikla koriste u nuklearnim elektranama, zašto je svaki odabran i koji međunarodni standardi uređuju njihovu upotrebu. Bilo da ste inženjer koji specificira materijale za novu konstrukciju, profesionalac u nabavi koji traži šipke i ploče ili jednostavno netko tko je znatiželjan o tome kako su nuklearne elektrane izgrađene da traju, ovaj vam članak daje činjenice koje su vam potrebne.

Nuklearni materijali Objasnite

Komponente nuklearne elektrane suočavaju se s četiri istovremene prijetnje s kojima niti jedan obični metal ne može sam izaći na kraj:

Visoka temperatura:Primarno rashladno sredstvo u reaktoru s vodom pod tlakom (PWR) radi na približno 315–343 stupnja pri 155 bara. Reaktori s kipućom vodom (BWR) rade na oko 285 stupnjeva pri 75 bara.

Visoko zračenje:Brzi neutroni i gama zrake uzrokuju pomicanje atoma u metalima, što dovodi do bubrenja, krtosti i promjena mehaničkih svojstava tijekom vremena - fenomen koji se naziva oštećenje radijacijom ili krtost radijacijom.

Korozija:Vruća, -voda visoke čistoće s otopljenim vodikom (PWR) ili oksigeniranom vodom (BWR) stvara visoko agresivno elektrokemijsko okruženje, posebno opasno za legure osjetljive na korozijsko pucanje (SCC).

Dugi vijek trajanja:Nuklearne elektrane imaju licencu na 40-60 godina, s -programima produljenja životnog vijeka komponenti na 80 godina. Materijali moraju zadržati svojstva tijekom cijelog životnog vijeka.

Austenitni nehrđajući čelici i superlegure na bazi-nikla rješenje su za ovaj izazov. Njihove-kubične (FCC) kristalne strukture otporne su na radijacijsku krtost, njihov visok sadržaj kroma tvori samo{3}}sloj oksida protiv korozije, a njihov povišeni sadržaj nikla pruža iznimnu žilavost u cijelom rasponu radnih temperatura.

Legure nikla u nuklearnim elektranama

Ako postoji jedna legura koja definira moderni PWR dizajn, onda je to legura 690 (UNS N06690). S nominalnim sastavom od 58 % nikla, 29 % kroma i 9 % željeza, legura 690 razvijena je posebno za zamjenu starije legure 600, koja se pokazala osjetljivom na primarno pucanje uslijed korozije pod pritiskom vode (PWSCC) nakon godina rada - problem koji je doveo do iznimno skupih popravaka u tvornicama diljem svijeta.

Oznaka "TT" označava termički obrađeno, kontroliranu toplinsku obradu koja taloži kromove karbide na granicama zrna. Ova mikrostrukturna modifikacija gotovo eliminira osjetljivost na PWSCC. Danas svaki novi PWR generator pare izgrađen globalno - od AP1000 u Kini i Sjedinjenim Državama do EPR-a u Francuskoj i Ujedinjenom Kraljevstvu - specificira cijevi od legure 690TT prema ASME SB-163, obično u 19,05 mm OD s 1,07 mm debljine stijenke. Jedan veliki generator pare sadrži otprilike 10 000 cijevi, svaka dugačka do 21 metar.

Legura 625donosi snažnu kombinaciju svojstava u nuklearnoj službi: veći ili jednak 58 % nikla, 20–23 % kroma i 8–10 % molibdena. Njegova vlačna čvrstoća u žarenom stanju prelazi 830 MPa, a zadržava izvrsnu žilavost nakon neutronskog zračenja. Ove karakteristike čine leguru 625 materijalom izbora za unutarnje dijelove jezgre reaktora, obloge mlaznica reaktorske tlačne posude i strukturne komponente unutar reaktorske posude, gdje su izloženost zračenju i kontakt s korozivnim rashladnim sredstvom neizbježni. Određen je prema ASME SB-443 (ploča) i ASME SB-446 (bar).

Legura 718 je precipitacijsko-očvrsnuta legura nikla-kroma s krajnjom vlačnom čvrstoćom koja prelazi 1380 MPa u stanju-očvrslog stanja - među najvećima od svih dostupnih legura-otpornih na koroziju. U nuklearnim postrojenjima koristi se za-za pričvršćivače visoke čvrstoće, pričvrsne opruge i unutarnje dijelove reaktora koji moraju održavati precizne mehaničke dimenzije tijekom desetljeća. Njegova otpornost na opuštanje (postupni gubitak sile stezanja pod trajnim opterećenjem pri visokoj temperaturi) kritična je za vijčane spojeve u sustavima rashladnog sredstva reaktora. Sukladan je s ASME SB-637 i ASTM B637.

Legura 600(UNS N06600), s većim ili jednakim 72 % nikla i 14–17 % kroma, bio je industrijski standard za PWR cijevi generatora pare od 1960-ih do 1980-ih. Međutim, terensko iskustvo pokazalo je da je u mlin-žarenim uvjetima, legura 600 osjetljiva na PWSCC u primarnoj vodi visoke-temperature - mehanizmu korozije koji širi pukotine intergranularno pod vlačnim naprezanjem.

Procjenjuje se da je industrija potrošila više od 20 milijardi USD na zamjenu komponenti od legure 600 tijekom nekoliko desetljeća. Legura 600 ostaje u upotrebi u nekim starijim postrojenjima, ali više nije specificirana za nove konstrukcije. Razumijevanje ove povijesti bitan je kontekst za razumijevanje zašto Alloy 690TT dominira modernim specifikacijama.

Vrste nehrđajućeg čelika u nuklearnoj službi

Gradacija 316L(UNS S31603) i njegova varijanta -poboljšana dušikom 316LN su radni konji cjevovoda nuklearnog rashladnog sustava. Specifikacija niske-ugljika (Manje od ili jednako 0,03 % C) sprječava preosjetljivost tijekom zavarivanja, čuvajući otpornost na koroziju u zonama-zahvaćenih toplinom. Dodavanje dušika u 316LN (0,10–0,16 % N) nadoknađuje smanjenje čvrstoće uzrokovano niskim ugljikom, postižući minimalnu otpornost od 0,2 % od 205 MPa - što je važan zahtjev jer nuklearni cjevovod mora ispunjavati stroge standarde integriteta granice tlaka prema ASME Odjeljku III, NB Klasa 1.

Cijevi velikog-promjera 316LN, kovane prema ASME SA-182 ili ASME SA-376, čine primarnu petlju rashladne tekućine u PWR-ovima - petlju koja cirkulira vruću vodu između tlačne posude reaktora i generatora pare. Ovo je sigurnosno{8}}kritična cijev: greška ovdje je definicija nesreće s gubitkom rashladne tekućine (LOCA), početni događaj u planiranju nuklearnih nuždi.

Stupanj 304L(UNS S30403) standardni je materijal za obloge za nuklearni zaštitni omotač, bazene za istrošeno gorivo, kanale za punjenje gorivom i velike{1}}spremnike za skladištenje. Njegova zavarljivost je izvanredna, a nizak-udio ugljika eliminira rizik od osjetljivosti na tisuće metara zavarenih šavova u velikoj strukturi zadržavanja. Ploča i lim isporučuju se ASME SA-240; cijev prema ASME SA-312.

Ocjene 321(titan-stabiliziran) i 347 (niobij-stabiliziran) specificirani su za komponente koje su podvrgnute toplinskom ciklusu - ponovljenom zagrijavanju i hlađenju - kao što su izmjenjivači topline, međurashladne petlje i određeni sustavi cjevovoda. Stabilizacijski elementi kemijski vežu ugljik, sprječavajući taloženje krom karbida čak i nakon duljeg vremena na temperaturama u rasponu osjetljivosti (425–850 stupnjeva). Oba razreda su u skladu s ASME SA-240 (ploča) i SA-182 (otkovci).

Legure cirkonija - Obloga goriva

Nijedna rasprava o nuklearnim materijalima nije potpuna bez spomena legura cirkonija. Zircaloy-4 i Zr-2,5Nb imaju presjek apsorpcije termalnih neutrona-od samo 0,18 barna - otprilike 40 puta manji od nehrđajućeg čelika - što ih čini u biti prozirnima za neutrone potrebne za održavanje lančane reakcije. Gorivne kuglice su obložene cijevima od cirkonijeve legure (obično 9,5 mm OD, 0,57 mm stijenke) koje čine prvu barijeru između radioaktivnog goriva i rashladnog sredstva. Dok legure cirkonija ne spadaju u asortiman proizvoda od nehrđajućeg čelika i legura nikla, njihova uloga objašnjava zašto je nehrđajući čelik ograničen na konstrukcijske primjene izvan samog sklopa goriva.

Zahtjevi za nuklearne legure: Tablica s brzim uputama

Tablica u nastavku pruža konsolidiranu referencu za inženjere i timove za nabavu koji specificiraju legure za primjene u nuklearnim elektranama.

Tablica 1: Ključne legure i vrste nehrđajućeg čelika koji se koriste u nuklearnim elektranama, s primjenjivim standardima. *Legura 600 zadržana u nekim naslijeđenim postrojenjima; nije navedeno za novogradnju. Zircaloy naveden samo kao referenca.

Nuklearni kodeksi i standardi: Što upravlja kvalifikacijom materijala

Nuklearni materijali su među najstrože reguliranim u bilo kojoj industriji. Materijal ne može jednostavno zadovoljiti svoje kemijske i mehaničke specifikacije - on mora biti sljediv, testiran, dokumentiran i kvalificiran prema programu osiguranja kvalitete. Ključni upravljački okviri su:

ASME Kodeks kotlova i tlačnih posuda (BPVC) Odjeljak III: Primarni kodeks za nuklearne tlačne posude, cjevovode, pumpe i ventile u Sjedinjenim Državama i mnogim međunarodnim tržištima. Materijali se moraju pojaviti u odobrenim tablicama materijala (npr. slučaj N-60 za leguru 690).

RCC-M (Francuski nuklearni kodeks): Francuski ekvivalent, obavezan za EPR reaktore i široko se spominje na međunarodnoj razini. RCC-M M4105 pokriva cijevi od legure 690TT.

ASME NQA-1: Zahtjevi osiguranja kvalitete za nuklearna postrojenja. Svaki certifikat o materijalu, zapis o toplinskoj obradi i izvješće o ispitivanju moraju biti sljedivi do jedinstvenog toplinskog broja.

10 CFR 50 Dodatak B (NRC SAD-a): Kriteriji osiguranja kvalitete nuklearnih elektrana SAD-a koji se primjenjuju na sve -materijale povezane sa sigurnošću.

IAEA sigurnosni standardi (SSR-2/1): Zahtjevi Međunarodne agencije za atomsku energiju za projektiranje nuklearnih elektrana, na koje se pozivaju regulatorna tijela u više od 40 zemalja.

U praksi to znači da potvrda o ispitivanju glodalice (MTC) za cijevi nuklearne legure 690 kvalitete može imati 10 ili više stranica, dokumentirajući kemiju (toplinska analiza i analiza proizvoda), vlačna svojstva na sobnoj i povišenoj temperaturi, tvrdoću, ispitivanja korozije, inspekciju dimenzija i rezultate ne-destruktivnog ispitivanja - koje je sve potpisao ovlašteni inspektor.

Što tražiti pri nabavi legura nuklearnog-razreda

Timovi za nabavu koji određuju nehrđajući čelik ili legure nikla za nuklearne usluge trebaju provjeriti sljedeće prije izdavanja narudžbenice:

Nuklearna kvalifikacija: Potvrdite da je materijal odobren prema primjenjivom kodu (ASME III, RCC-M, JSME ili KEPIC) i da mlin ima potrebni program nuklearne kvalitete (NQA-1 ili ekvivalent).

Toplinska sljedivost: Svaki komad mora pratiti jedinstveni toplinski broj taljenja. Miješanje toplina bez dokumentacije nije -sukladno u nuklearnim opskrbnim lancima.

Inspekcija-treće strane: Ovlašteni nuklearni inspektor (ANI) ili odobrena treća strana mora svjedočiti i potvrditi ključne testove u mlinu. Zahtjevi za točku svjedoka (W) i točku zadržavanja (H) definirani su u narudžbenici.

Pozitivna identifikacija materijala (PMI): -XRF ili OES potvrda na licu mjesta da primljena legura odgovara naručenoj leguri obavezna je za sigurnosne{1}}komponente.

Krivotvoreni i lažni predmeti (CFSI): Nuklearna nabava mora uključivati ​​mjere prevencije CFSI prema NRC-u U 2012-10. Nabavljajte samo od ovlaštenih dobavljača s dokumentiranim popisom odobrenih dobavljača (ASL).

Zaključak

Nuklearne elektrane zahtijevaju legure koje daleko nadilaze standardne industrijske kvalitete. Alloy 690TT je referentna vrijednost za cijevi generatora pare upravo zato što rješava problem PWSCC koji je mučio Alloy 600 desetljećima. Legura 625 i legura 718 daju snagu i otpornost na zračenje potrebnu za unutarnje dijelove jezgre i pričvršćivače pod visokim-naprezanjem. Austenitni nehrđajući čelici - posebno 316LN, 304L i stabilizirani razredi 321 i 347 - čine okosnicu cjevovoda rashladne tekućine, zadržavanja i sustava za izmjenu topline.

Ono što ujedinjuje sve ove materijale je stroga kvalifikacija: kemija, mehaničko ispitivanje, toplinska sljedivost, usklađenost s kodovima i neovisna inspekcija. U nuklearnoj energiji, papirologija nije birokracija - to je inženjerski integritet. Odabir kvalificiranog dobavljača s dokazanim programom nuklearne kvalitete nije prednost; to je zahtjev.