Požadavky na slitinu jaderné elektrárny: Co potřebujete vědět

Zavedení

Jaderná elektrárna je jedním z nejnáročnějších materiálových prostředí na Zemi. Slitiny používané uvnitř reaktoru musí současně odolat extrémnímu teplu, intenzivnímu záření, vysokotlaké vodě nebo páře -a neúprosné hrozbě koroze - často po dobu 60 a více let bez výměny. Nechte materiál špatně a důsledky sahají od nákladných neplánovaných odstávek až po v nejhorším případě radioaktivní kontaminaci.

Tato příručka vysvětluje, které nerezové oceli a slitiny niklu se používají v jaderných elektrárnách, proč byly vybrány a jaké mezinárodní normy upravují jejich použití. Ať už jste inženýr, který specifikuje materiály pro novou stavbu, profesionální dodavatel zásobovacích tyčí a desek, nebo prostě někdo, kdo se zajímá o to, jak jsou jaderné elektrárny stavěny, aby vydržely, tento článek vám poskytne fakta, která potřebujete.

Vysvětlete jaderné materiály

Komponenty jaderné elektrárny čelí čtyřem současným hrozbám, které žádný obyčejný kov sám nezvládne:

Vysoká teplota:Primární chladivo v tlakovodním reaktoru (PWR) běží při teplotě přibližně 315–343 stupňů při 155 barech. Varné vodní reaktory (BWR) pracují při teplotě kolem 285 stupňů při 75 barech.

Vysoká radiace:Rychlé neutrony a gama paprsky způsobují přemístění atomů v kovech, což vede k bobtnání, křehnutí a změnám mechanických vlastností v průběhu času -, což je jev nazývaný radiační poškození nebo radiační křehnutí.

Koroze:Horká, vysoce čistá-voda s rozpuštěným vodíkem (PWR) nebo okysličená voda (BWR) vytváří vysoce agresivní elektrochemické prostředí, zvláště nebezpečné pro slitiny náchylné ke korozi pod napětím (SCC).

Dlouhá životnost:Jaderné elektrárny jsou licencovány na 40–60 let, přičemž programy{2}}prodlužování životnosti posouvají součásti na 80 let. Materiály si musí zachovat vlastnosti po celou dobu životnosti.

Řešením tohoto problému jsou austenitické nerezové oceli a niklové-slitiny. Jejich čelní-centrální kubické (FCC) krystalové struktury odolávají radiačnímu křehnutí, jejich vysoký obsah chrómu vytváří samovolně se zacelující oxidovou vrstvu proti korozi a jejich zvýšený obsah niklu poskytuje výjimečnou houževnatost v celém rozsahu provozních teplot.

Slitiny niklu v jaderných elektrárnách

Pokud existuje nějaká slitina, která definuje moderní design PWR, pak je to Alloy 690 (UNS N06690). S nominálním složením 58 % niklu, 29 % chrómu a 9 % železa byla slitina Alloy 690 vyvinuta speciálně jako náhrada starší slitiny Alloy 600, která se po letech provozu ukázala jako náchylná k primárnímu koroznímu praskání vlivem vody (PWSCC) -, což je problém, který vedl k extrémně drahým opravám v závodech po celém světě.

Označení „TT“ znamená tepelně zpracované, řízené tepelné zpracování, které vysráží karbidy chrómu na hranicích zrn. Tato mikrostrukturální modifikace prakticky eliminuje náchylnost k PWSCC. Dnes každý nový parní generátor PWR vyrobený celosvětově - od AP1000 v Číně a Spojených státech až po EPR ve Francii a Spojeném království - specifikuje trubky Alloy 690TT podle ASME SB-163, obvykle s vnější průměr 19,05 mm s tloušťkou stěny 1,07 mm. Jeden velký parní generátor obsahuje přibližně 10 000 trubic, každá až 21 metrů dlouhá.

Slitina 625přináší do jaderné služby silnou kombinaci vlastností: 58 % niklu, 20–23 % chrómu a 8–10 % molybdenu nebo více. Jeho pevnost v tahu v žíhaném stavu přesahuje 830 MPa a zachovává si vynikající houževnatost po ozáření neutrony. Díky těmto vlastnostem je slitina Alloy 625 materiálem volby pro vnitřní části aktivní zóny reaktoru, opláštění trysek tlakové nádoby reaktoru a konstrukční součásti uvnitř nádoby reaktoru, kde je nevyhnutelné jak vystavení radiaci, tak kontaktu s korozním chladivem. Je specifikován pro ASME SB-443 (deska) a ASME SB-446 (bar).

Slitina 718 je precipitační-zpevněná slitina niklu-chrómu s maximální pevností v tahu přesahující 1 380 MPa ve stáří-kaleném stavu - mezi nejkvalitnější ze všech dostupných slitin odolných vůči korozi-. V jaderných elektrárnách se používá pro-vysokopevnostní spojovací prvky, přidržovací pružiny a vnitřky reaktorů, které si musí po desetiletí zachovat přesné mechanické rozměry. Jeho odolnost vůči relaxaci (postupná ztráta svěrné síly při trvalém zatížení při vysoké teplotě) je kritická pro šroubové spoje v systémech chladicí kapaliny reaktoru. Vyhovuje ASME SB-637 a ASTM B637.

Slitina 600(UNS N06600), s obsahem větším nebo rovným 72 % niklu a 14–17 % chrómu, byl průmyslovým standardem pro potrubí parního generátoru PWR od 60. do 80. let 20. století. Praxe v terénu však odhalila, že v mlýnském-žíhaném stavu je slitina Alloy 600 citlivá na PWSCC ve vysokoteplotní primární vodě -, což je korozní mechanismus, který šíří mezikrystalové trhliny při namáhání v tahu.

Průmysl vynaložil během několika desetiletí odhadem více než 20 miliard USD na výměnu komponent ze slitiny 600. Alloy 600 zůstává v provozu v některých starších závodech, ale již není určena pro novou výstavbu. Pochopení této historie je základním kontextem pro pochopení toho, proč Alloy 690TT dominuje moderním specifikacím.

Třídy nerezové oceli v jaderné službě

Třída 316L(UNS S31603) a jeho dusíkem -vylepšená varianta 316LN jsou tahouny potrubí jaderného chladicího systému. Nízká-uhlíková specifikace (méně než nebo rovna 0,03 % C) zabraňuje senzibilizaci během svařování a zachovává odolnost proti korozi v tepelně-zasažených oblastech. Přídavek dusíku v 316LN (0,10–0,16 % N) kompenzuje snížení pevnosti způsobené nízkým obsahem uhlíku, čímž je dosaženo minimální 0,2% mezní pevnosti 205 MPa -, což je důležitý požadavek, protože jaderné potrubí musí splňovat přísné normy integrity tlakových hranic podle ASME sekce III, NB Class 1.

Potrubí o velkém{0}}průměru 316LN, kované podle ASME SA-182 nebo ASME SA-376, tvoří primární chladicí smyčku v PWR - smyčku, která cirkuluje horkou vodu mezi tlakovou nádobou reaktoru a parogenerátory. Toto je bezpečnost-kritická trubka: selháním je zde definice havárie se ztrátou chladicí kapaliny (LOCA), iniciační událost v jaderném nouzovém plánování.

Třída 304L(UNS S30403) je standardní materiál pro vložky jaderných kontejnmentů, bazény s vyhořelým palivem, tankovací kanály a velkoobjemové skladovací nádrže. Jeho svařitelnost je vynikající a třída s nízkým-karbonem eliminuje riziko senzibilizace v tisících metrů svarových švů ve velké kontejnmentové konstrukci. Deska a plech jsou dodávány s ASME SA-240; trubka a trubka podle ASME SA-312.

Známky 321(stabilizováno titanem-) a 347 (niobem-stabilizováno) jsou určeny pro součásti, které procházejí tepelným cyklem - opakovanému ohřevu a chlazení -, jako jsou výměníky tepla, mezilehlé chladicí smyčky a určité potrubní systémy. Stabilizační prvky chemicky vážou uhlík a zabraňují vysrážení karbidu chrómu i po delší době při teplotách v rozmezí senzibilizace (425–850 stupňů). Obě třídy odpovídají ASME SA-240 (deska) a SA-182 (výkovky).

Zirkoniové slitiny - Plášť paliva

Žádná diskuse o jaderných materiálech není úplná bez zmínky o slitinách zirkonia. Zircaloy-4 a Zr{5}}2,5Nb mají průřez absorpce tepelných neutronů-pouze 0,18 barn – zhruba 40krát méně než nerezová ocel – díky čemuž jsou v podstatě transparentní pro neutrony potřebné k udržení řetězové reakce. Palivové pelety jsou zapouzdřeny v plášťových trubkách ze slitiny zirkonia (typicky 9,5 mm vnější průměr, 0,57 mm stěna), které tvoří první bariéru mezi radioaktivním palivem a chladivem. Zatímco slitiny zirkonia nespadají do sortimentu nerezové oceli a slitin niklu, jejich role vysvětluje, proč je nerezová ocel omezena na konstrukční aplikace mimo samotnou palivovou sestavu.

Požadavky na jadernou slitinu: Rychlá referenční tabulka

Níže uvedená tabulka poskytuje konsolidovanou referenci pro inženýry a nákupní týmy specifikující slitiny pro aplikace v jaderných elektrárnách.

Tabulka 1: Klíčové slitiny a třídy nerezové oceli používané v jaderných elektrárnách s příslušnými normami. *Slitina 600 zachována v některých starších závodech; není určeno pro novostavbu. Zircaloy uvedené pouze pro informaci.

Jaderné kódy a standardy: Čím se řídí materiálová kvalifikace

Jaderné materiály patří mezi nejpřísněji regulované v jakémkoli odvětví. Materiál nemůže jednoduše splňovat své chemické a mechanické specifikace -, musí být sledovatelný, testovaný, zdokumentovaný a kvalifikovaný v rámci programu zajištění kvality. Klíčové řídící rámce jsou:

ASME Boiler and Pressure Vessel Code (BPVC) Část III: Primární kód pro jaderné tlakové nádoby, potrubí, čerpadla a ventily ve Spojených státech a na mnoha mezinárodních trzích. Materiály musí být uvedeny ve schválených materiálových tabulkách (např. Code Case N-60 pro Alloy 690).

RCC-M (francouzský jaderný kód): Francouzský ekvivalent, povinný pro reaktory EPR a mezinárodně široce používaný. RCC-M M4105 pokrývá trubky Alloy 690TT.

ASME NQA-1: Požadavky na zajištění kvality pro jaderná zařízení. Každý materiálový certifikát, záznam o tepelném zpracování a protokol o zkoušce musí být dohledatelné na jedinečné tepelné číslo.

10 CFR 50 Dodatek B (US NRC): Kritéria zajišťování kvality jaderných elektráren Americké jaderné regulační komise, která se vztahují na všechny materiály související s bezpečností-.

Bezpečnostní standardy MAAE (SSR-2/1): Požadavky Mezinárodní agentury pro atomovou energii na projektování jaderných elektráren, na které se odvolávají regulační orgány ve více než 40 zemích.

V praxi to znamená, že certifikát válcovací zkoušky (MTC) pro trubky ze slitiny 690 jaderné -třídy může mít 10 nebo více stran, dokumentující chemii (tepelná analýza a analýza produktu), tahové vlastnosti při pokojové a zvýšené teplotě, tvrdost, korozní testy, rozměrovou kontrolu a výsledky nedestruktivních zkoušek -, to vše podepsané autorizovaným inspektorem.

Na co se zaměřit při nákupu jaderných slitin-kvalita

Nákupní týmy specifikující nerezovou ocel nebo slitiny niklu pro jadernou službu by měly před vystavením objednávky ověřit následující:

Jaderná kvalifikace: Potvrďte, že je materiál schválen podle příslušného kódu (ASME III, RCC{0}}M, JSME nebo KEPIC) a že válcovna má zaveden požadovaný program jaderné kvality (NQA-1 nebo ekvivalent).

Sledovatelnost tepla: Každý kus musí vysledovat zpět k jedinečnému číslu tepla taveniny. Míchání tepla bez dokumentace je v jaderných dodavatelských řetězcích v rozporu-.

Inspekce třetí strany: Autorizovaný jaderný inspektor (ANI) nebo schválená třetí strana musí být svědkem a certifikovat klíčové testy v továrně. Požadavky na svědecký bod (W) a zadržovací bod (H) jsou definovány v nákupní objednávce.

Pozitivní identifikace materiálu (PMI): Z důvodu bezpečnosti-klasifikovaných součástí je povinné na místě -ověření XRF nebo OES, zda obdržená slitina odpovídá objednané slitině.

Padělané a podvodné položky (CFSI): Jaderné zakázky musí zahrnovat preventivní opatření CFSI podle NRC V 2012-10. Nakupujte pouze od schválených dodavatelů se zdokumentovaným seznamem schválených dodavatelů (ASL).

Závěr

Jaderné elektrárny vyžadují slitiny, které jdou daleko za hranice standardních průmyslových jakostí. Alloy 690TT je měřítkem pro potrubí parního generátoru právě proto, že řeší problém PWSCC, který sužoval Alloy 600 po celá desetiletí. Slitiny 625 a Alloy 718 poskytují pevnost a odolnost proti záření potřebnou pro vnitřní části jádra a vysoce namáhané spojovací prvky. Austenitické nerezové oceli - zejména 316LN, 304L a stabilizované jakosti 321 a 347 - tvoří páteř chladicích potrubí, kontejnmentů a systémů výměny tepla.

Všechny tyto materiály sjednocuje přísná kvalifikace: chemie, mechanické testování, sledovatelnost tepla, dodržování předpisů a nezávislá kontrola. V jaderné energetice není papírování byrokracie -, ale technická integrita. Výběr kvalifikovaného dodavatele s prověřeným programem jaderné kvality není preferován; je to požadavek.