Zahtjevi za legure nuklearne elektrane: Što trebate znati

Uvod

Nuklearna elektrana je jedno od najzahtjevnijih materijalnih okruženja na Zemlji. Legure koje se koriste unutar reaktora moraju istovremeno izdržati ekstremnu toplinu, intenzivno zračenje, vodu ili paru pod visokim-pritiskom i nemilosrdnu prijetnju korozije - često 60 godina ili više bez zamjene. Pogrešite materijal, a posljedice se kreću od skupih neplaniranih isključenja do, u najgorem slučaju, radioaktivne kontaminacije.

Ovaj vodič objašnjava koje se vrste nehrđajućeg čelika i legure nikla koriste u nuklearnim elektranama, zašto je svaka odabrana i koji međunarodni standardi reguliraju njihovu upotrebu. Bilo da ste inženjer koji specificira materijale za novu gradnju, profesionalna nabavka šipke i ploče za nabavku ili jednostavno neko ko je znatiželjan o tome kako su nuklearne elektrane izgrađene da traju, ovaj članak vam daje činjenice koje su vam potrebne.

Nuklearni materijali objasniti

Komponente nuklearne elektrane suočavaju se s četiri istovremene prijetnje s kojima se nijedan obični metal ne može sam nositi:

visoka temperatura:Primarno rashladno sredstvo u reaktoru sa vodom pod pritiskom (PWR) radi na približno 315–343 stepena na 155 bara. Reaktori s kipućom vodom (BWR) rade na oko 285 stepeni na 75 bara.

Visoka radijacija:Brzi neutroni i gama zraci uzrokuju pomicanje atoma u metalima, što dovodi do bubrenja, krtosti i promjena mehaničkih svojstava tokom vremena - fenomen koji se naziva radijacijsko oštećenje ili zračenje krtosti.

korozija:Vruća,-voda visoke čistoće s otopljenim vodonikom (PWR) ili oksigeniranom vodom (BWR) stvara visoko agresivno elektrohemijsko okruženje, posebno opasno za legure podložne pucanju od korozije pod naponom (SCC).

Dug radni vek:Nuklearne elektrane imaju licencu na 40-60 godina, s-programima produženja vijeka trajanja komponenti na 80 godina. Materijali moraju zadržati svojstva tokom cijelog ovog životnog vijeka.

Austenitni nehrđajući čelici i superlegure na bazi nikla-su rješenje za ovaj izazov. Njihove -centrirane kubične (FCC) kristalne strukture otporne su na krhkost radijacije, njihov visoki sadržaj hroma formira samo-sloj oksida koji se samozacjeljuje protiv korozije, a njihov povišen sadržaj nikla pruža izuzetnu žilavost u cijelom rasponu radnih temperatura.

Legure nikla u nuklearnim elektranama

Ako postoji jedna legura koja definira moderni PWR dizajn, to je legura 690 (UNS N06690). Sa nominalnim sastavom od 58 % nikla, 29 % hroma i 9 % gvožđa, legura 690 je razvijena posebno da zameni stariju leguru 600, koja se pokazala podložnom primarnom vodenom naponu od korozije (PWSCC) nakon godina rada -, što je dovelo do izuzetno skupih popravki u postrojenjima u svetu.

Oznaka "TT" označava termički obrađenu, kontrolisanu termičku obradu koja taloži karbide hroma na granicama zrna. Ova mikrostrukturna modifikacija praktično eliminiše osetljivost na PWSCC. Danas, svaki novi PWR generator pare proizveden globalno - od AP1000 u Kini i Sjedinjenim Državama do EPR-a u Francuskoj i Ujedinjenom Kraljevstvu - navodi cijevi od legure 690TT po ASME SB-163, obično u 19,05 mm OD sa 1,07 mm debljine stijenke. Jedan veliki generator pare sadrži približno 10.000 cijevi, svaka dužine do 21 metar.

Legura 625donosi snažnu kombinaciju svojstava nuklearnoj službi: više od ili jednako 58 % nikla, 20–23 % hroma i 8–10 % molibdena. Njegova vlačna čvrstoća u žarenom stanju prelazi 830 MPa, a zadržava odličnu žilavost nakon neutronskog zračenja. Ove karakteristike čine leguru 625 izbornim materijalom za unutrašnjost jezgra reaktora, obloge mlaznica reaktorskih posuda pod pritiskom i strukturne komponente unutar reaktorske posude, gdje su izloženost radijaciji i kontakt korozivnog rashladnog sredstva neizbježni. Određen je za ASME SB-443 (ploča) i ASME SB-446 (bar).

Legura 718 je legura nikla-kroma otvrdnuta prema padavinama s krajnjom zateznom čvrstoćom većom od 1,380 MPa u stanju -kaljenog - među najvišom od svih dostupnih legura otpornih na koroziju-. U nuklearnim postrojenjima, koristi se za pričvršćivače velike{8}}kosti, opruge i unutrašnje dijelove reaktora koji moraju održavati precizne mehaničke dimenzije tokom decenija. Njegova otpornost na opuštanje (postepeni gubitak sile stezanja pod stalnim opterećenjem na visokoj temperaturi) je kritična za vijčane spojeve u sistemima rashladnog sredstva reaktora. Usklađen je sa ASME SB-637 i ASTM B637.

Legura 600(UNS N06600), sa većim ili jednakim 72 % nikla i 14–17 % hroma, bio je industrijski standard za cijevi za PWR parne generatore od 1960-ih do 1980-ih. Međutim, terensko iskustvo je pokazalo da je u mlin{7}}žarenom stanju, legura 600 osjetljiva na PWSCC u visoko{9}}primarnoj vodi na visokoj temperaturi -, mehanizam korozije koji širi pukotine međugranularno pod vlačnim naprezanjem.

Procjenjuje se da je industrija potrošila oko 20 milijardi USD na zamjenu komponenti Alloy 600 tokom nekoliko decenija. Legura 600 ostaje u upotrebi u nekim starijim postrojenjima, ali više nije određena za novu izgradnju. Razumevanje ove istorije je suštinski kontekst za razumevanje zašto Alloy 690TT dominira modernim specifikacijama.

Ocjene nehrđajućeg čelika u nuklearnoj službi

Grade 316L(UNS S31603) i njegova varijanta-poboljšana dušikom 316LN su radni konji cjevovoda nuklearnog rashladnog sistema. Specifikacija niske-ugljike (manje ili jednaka 0,03 % C) sprječava senzibilizaciju tokom zavarivanja, čuvajući otpornost na koroziju u zonama{6}}zahvaćenim toplinom. Dodatak azota u 316LN (0,10–0,16 % N) kompenzira smanjenje čvrstoće uzrokovano niskim sadržajem ugljika, postižući minimalnu otpornu čvrstoću od 0,2 % od 205 MPa - što je važan zahtjev jer nuklearni cjevovodi moraju ispunjavati stroge standarde integriteta granice pritiska prema ASME odjeljak 1 III, NB klasa.

Cjevovodi velikog-promjera 316LN, iskovani prema ASME SA-182 ili ASME SA-376, formiraju primarnu petlju rashladnog sredstva u PWR-ovima - petlju koja cirkulira vruću vodu između posude pod pritiskom reaktora i generatora pare. Ovo je sigurno-kritična cijev: kvar ovdje je definicija nesreće s gubitkom rashladne tekućine (LOCA), početni događaj u planiranju nuklearnih vanrednih situacija.

Grade 304L(UNS S30403) je standardni materijal za obloge nuklearne izolacije, bazene istrošenog goriva, kanale za dopunjavanje goriva i velike{1}}skladišne ​​spremnike. Njegova zavarljivost je izvanredna, a niska-ugljična klasa eliminira rizik od senzibilizacije na hiljadama metara zavarenih šavova u velikoj zaštitnoj strukturi. Ploče i limovi se isporučuju sa ASME SA-240; cijevi i cijevi prema ASME SA-312.

Ocjene 321(titanijum-stabiliziran) i 347 (niobijum-stabiliziran) su specificirani za komponente koje prolaze kroz termički ciklus - ponovljeno grijanje i hlađenje - kao što su izmjenjivači topline, srednje petlje za hlađenje i određeni sistemi cjevovoda. Stabilizujući elementi hemijski vezuju ugljenik, sprečavajući taloženje hrom karbida čak i nakon dužeg vremena na temperaturama u opsegu senzibilizacije (425-850 stepeni). Oba tipa su u skladu sa ASME SA-240 (ploča) i SA-182 (otkivci).

Cirkonijumske legure - Obloga goriva

Nijedna rasprava o nuklearnim materijalima nije potpuna bez spominjanja legura cirkonija. Circaloy-4 i Zr-2,5Nb imaju poprečni presjek apsorpcije termičkih neutrona-od samo 0,18 barna - otprilike 40 puta niži od nehrđajućeg čelika - što ih čini suštinski transparentnim za neutrone potrebne za održavanje lančane reakcije. Gorivne pelete su zatvorene u cijevi od legure cirkonijuma (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 strukturalne primjene izvan samog gorivnog sklopa.

Zahtjevi za nuklearne legure: Brza referentna tabela

Tabela ispod daje konsolidovanu referencu za inženjere i timove za nabavku koji specificiraju legure za primjenu u nuklearnim elektranama.

Tabela 1: Ključne legure i nehrđajući čelik koji se koriste u nuklearnim elektranama, s primjenjivim standardima. *Legura 600 zadržana u nekim naslijeđenim pogonima; nije predviđeno za novogradnju. Cirkaloj je naveden samo kao referenca.

Nuklearni kodeksi i standardi: Šta reguliše kvalifikaciju materijala

Nuklearni materijali su među najstrože reguliranim u bilo kojoj industriji. Materijal ne može jednostavno zadovoljiti svoje hemijske i mehaničke specifikacije -, već mora biti sljediv, testiran, dokumentovan i kvalifikovan u okviru programa osiguranja kvaliteta. Ključni vladajući okviri su:

ASME kod za kotlove i posude pod pritiskom (BPVC) Odjeljak III: Primarni kod za nuklearne posude pod pritiskom, cjevovode, pumpe i ventile u Sjedinjenim Državama i mnogim međunarodnim tržištima. Materijali se moraju pojaviti u odobrenim tabelama materijala (npr. Kodni slučaj N-60 za leguru 690).

RCC-M (francuski nuklearni kod): francuski ekvivalent, obavezan za EPR reaktore i široko referenciran na međunarodnom nivou. RCC-M M4105 pokriva cijevi od legure 690TT.

ASME NQA-1: Zahtjevi za osiguranje kvaliteta za nuklearna postrojenja. Svaki certifikat materijala, zapis o termičkoj obradi i izvještaj o ispitivanju moraju se pratiti do jedinstvenog toplotnog broja.

10 CFR 50 Dodatak B (US NRC): Kriterijumi za osiguranje kvaliteta nuklearnih elektrana Komisije za nuklearnu regulaciju SAD, koji se primjenjuju na sve materijale koji se{2}} odnose na sigurnost.

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

U praksi, to znači da certifikat o ispitivanju mlina (MTC) za cijevi od nuklearnog{0}}legure 690 može trajati do 10 ili više stranica, dokumentirajući hemiju (analiza topline i analiza proizvoda), svojstva zatezanja na sobnoj i povišenoj temperaturi, tvrdoće, ispitivanja korozije, inspekcije dimenzija i svih rezultata {{3}{4} autorskog pregleda.

Šta treba tražiti pri nabavci legura nuklearnog{0}}klasa

Timovi za nabavku koji specificiraju nehrđajući čelik ili legure nikla za nuklearnu uslugu trebaju provjeriti sljedeće prije izdavanja naloga za kupovinu:

Nuklearna kvalifikacija: Potvrdite da je materijal odobren prema primjenjivom kodu (ASME III, RCC-M, JSME ili KEPIC) i da fabrika ima potreban program nuklearnog kvaliteta (NQA-1 ili ekvivalentan) na mjestu.

Toplotna sljedivost: Svaki komad mora pratiti jedinstveni toplinski broj taline. Miješanje topline bez dokumentacije je ne-u skladu sa nuklearnim lancima snabdijevanja.

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

Pozitivna identifikacija materijala (PMI): XRF ili OES provjera na licu mjesta da li primljena legura odgovara naručenoj leguri je obavezna za sigurno-klasificirane komponente.

Krivotvoreni i lažni artikli (CFSI): Nuklearna nabavka mora uključivati ​​mjere prevencije CFSI prema NRC-u U 2012-10. Nabavljajte samo od odobrenih dobavljača sa dokumentovanom listom odobrenih dobavljača (ASL).

Zaključak

Nuklearne elektrane zahtijevaju legure koje daleko prevazilaze standardne industrijske klase. Alloy 690TT je mjerilo za cijevi generatora pare upravo zato što rješava problem PWSCC koji je mučio Alloy 600 decenijama. Legura 625 i legura 718 isporučuju snagu i otpornost na zračenje potrebnu za unutrašnje dijelove jezgra i spojeve sa visokim{6}}naponom. Austenitni nerđajući čelici - posebno 316LN, 304L i stabilizovani razredi 321 i 347 - čine okosnicu cjevovoda rashladne tekućine, izolacije i sistema za izmjenu topline.

Ono što objedinjuje sve ove materijale je rigorozna kvalifikacija: hemija, mehanička ispitivanja, sljedivost topline, usklađenost s kodom i nezavisna inspekcija. U nuklearnoj energiji, papirologija nije birokratija - to je inženjerski integritet. Odabir kvalifikovanog dobavljača sa dokazanim programom nuklearnog kvaliteta nije prioritet; to je uslov.