Mazie modulārie reaktori (SMR) un niķeļa sakausējumi: materiāli nākamās-paaudzes kodolenerģijai

Mazie modulārie reaktori (SMR) nav vienkārši samazinātas{0}}konvencionālo spiediena{1}}ūdens reaktoru versijas. Vairākas uzlabotas konstrukcijas darbojas karstāk, izmanto dažādus dzesēšanas šķidrumus - hēliju, šķidru nātriju vai izkausētu fluorīda sāli, nevis zem spiediena ūdens -, un nosaka kalpošanas laiku un darba ciklus, kas strukturālos materiālus izstumj krietni pāri temperatūrai un korozijai, kam bija piemērots tradicionālais kodol-nerūsējošais tērauds.

Niķeļa{0}}sakausējumiir materiālu saime, kas ir vispiemērotākā, lai novērstu šo plaisu, un tie jau parādās visā uzlabotajā reaktora piegādes ķēdē: kā tvaika ģeneratora caurules vieglā-ūdens SMR, kā starpposma siltummaiņa materiāls ar gāzi-dzesētu konstrukciju un kā kandidātu primārais-cilpas materiāls sāls-dzesējamās koncepcijās. Šajā rokasgrāmatā ir izskaidrots, kāpēc niķeļa sakausējumi ir svarīgi SMR, kuru kategorijas jau ir kvalificētas, salīdzinot ar vēl tiek izstrādātas, un kā domāt par materiālu izvēli dažādās SMR tehnoloģiju klasēs.

Kas ir mazie moduļu reaktori un kāpēc to materiālu vajadzības atšķiras no parastajiem reaktoriem?

SMR aptver vairākas atšķirīgas reaktoru klases ar ļoti atšķirīgām dzesēšanas šķidrumiem un darba temperatūrām, un šī daudzveidība - ne tikai mazākais izmērs - nosaka niķeļa sakausējumu paplašināto lomu.

“SMR” apzīmē rūpnīcā{0}}ražotu, modulāru reaktoru, kas parasti nepārsniedz 300 MWe, taču termins aptver vairākas principiāli atšķirīgas tehnoloģijas. Vieglā-ūdens SMR (piemēram, NuScale dizains un GE Hitachi BWRX-300) izmanto tādu pašu zem spiediena vai verdoša ūdens dzesēšanas šķidruma ķīmisko sastāvu kā parastie lielie reaktori, un tie darbojas līdzīgā temperatūras diapazonā, tāpēc tie lielā mērā ir atkarīgi no iedibināta kodol- un zemas kvalitātes {nerūsējošā tērauda} rezervēts īpašiem augstas slodzes komponentiem, piemēram, tvaika ģeneratora caurulēm.

Augstas-temperatūras gāzes-dzesēšanas reaktoros jeb HTGR (piemēram, X-energy's Xe-100) tiek izmantots hēlija dzesēšanas šķidrums un TRISO daļiņu degviela, un tie ir vērsti uz daudz augstāku izplūdes temperatūru, lai uzlabotu termisko efektivitāti un nodrošinātu rūpniecisko procesu siltuma izmantošanu. Nātrija-dzesēšanas ātrajos reaktoros (piemēram, TerraPower Natrium dizainā) tiek izmantots šķidrs metāla dzesēšanas šķidrums vidēji-līdz-augstā temperatūrā un zemā spiedienā. Fluorīda{10}}sāls-dzesējamie augstas temperatūras reaktori jeb FHR (piemēram, Kairos Power's Hermes dizains) cirkulē izkausētu fluorīda sāli kā dzesēšanas šķidrumu ap cieto TRISO oļu degvielu, savukārt īstie izkausētā sāls reaktori degvielu izšķīdina tieši cirkulējošā sālī. Katra no šīm klasēm uz saviem strukturālajiem materiāliem novieto atšķirīgu temperatūras, dzesēšanas šķidruma ķīmijas un neitronu vides kombināciju.

1. tabula. Reprezentatīvās SMR tehnoloģiju klases, aptuvenās darba temperatūras un projektu piemēri. Ilustrācijas nolūkos skaitļi ir vispārināti pēc reaktoru klasēm; konkrētu pārdevēju modeļi atšķiras, un oficiālās specifikācijas ir jāapstiprina, salīdzinot ar pašreizējo pārdevēja un reglamentējošo dokumentāciju.

Kāpēc uzlabotajiem reaktoriem standarta nerūsējošā tērauda vietā ir nepieciešami niķeļa sakausējumi?

Parastais kodol{0}}austenīta nerūsējošais tērauds zaudē pārāk daudz šļūdes stiprības un oksidācijas pretestības virs aptuveni 550–650 grādiem vairāku-desmit gadu projektēšanas laikā, kas nepieciešams progresīviem reaktoriem, un niķeļa sakausējumi paplašina izmantojamo strukturālo darbību vēl 700–950 grādu diapazonā, kas nepieciešams sālītajam projektētajam{{HTGR6}.

Saskaņā ar ASME katlu un spiedtvertņu kodeksa III sadaļas 5. nodaļa reglamentē augstas temperatūras kodolkomponentu būvniecību{1}}visiem uzlabotajiem reaktora dzesēšanas šķidruma veidiem. Gadu desmitiem šim pakalpojumam bija kvalificēti tikai pieci materiāli: 2,25Cr-1Mo un vanādija-modificēts 9Cr-1Mo ferīta tērauds, 304H un 316H austenīta nerūsējošais tērauds un augsta-niķeļa austenīta 8000 niķeļa austenīta. No tiem tikai Alloy 800H ir novērtēts ar patiesi augstas temperatūras, nenozīmīgas šļūdes konstrukciju, kas tuvojas 760 grādiem un augstāk.

Virs aptuveni 550–650 grādiem standarta 304H/316H nerūsējošā tērauda pieļaujamais projektētais spriegums strauji samazinās, jo laika -atkarīgā šļūdes deformācija - ne īstermiņa tecība vai stiepes izturība - kļūst par noteicošo atteices režīmu, kā arī mazāk aizsargājošais hroma{{8} tērauds. augstas-temperatūras hēlija vai sāls vidē. Niķeļa sakausējumi, piemēram, sakausējums 617, atrisina abas problēmas: to augstākais niķeļa saturs uzlabo izturību pret šļūdei un karburējošu/oksidējošu atmosfēru, paplašinot kvalificēto projektēšanas temperatūru līdz aptuveni 954 grādiem (1750 grādiem F) saskaņā ar 2019. gada ASME kodu.

Kuri niķeļa sakausējumi ir kvalificēti vai tiek novērtēti progresīvu reaktoru būvniecībā?

Alloy 800H pašlaik ir vienīgais niķeļa{1}}materiāls ar pilnu, ilgstošu ASME III sadaļas 5. nodaļas kvalifikāciju; Alloy 617 ir pievienots, izmantojot divus īpašus kodu korpusus, savukārt Alloy 690, Hastelloy N, GH3535 un Alloy 709 katram ir sava loma, taču tie atrodas dažādos kvalifikācijas ceļa posmos.

2. tabula. Niķeļa-gultnis un niķeļa-blakus sakausējumi, kas attiecas uz modernu reaktora konstrukciju, to aptuvenais sastāvs un to pašreizējais ASV koda-kvalifikācijas statuss. Koda gadījumu numuri, temperatūras ierobežojumi un kvalifikācijas statuss vienmēr ir jāpārbauda, ​​salīdzinot ar pašreizējo ASME BPVC III sadaļas 5. nodaļas izdevumu un piemērojamajiem spēkā esošajiem kodu gadījumiem.

Kā niķeļa sakausējumi darbojas izkausētā sāls reaktora vidē?

Niķeļa -molibdēna-hroma sakausējumi, piemēram, Hastelloy N un GH3535, ir daudz labāk izturīgi pret izkausēta fluorīda sāls koroziju nekā nerūsējošais tērauds, jo to zemais hroma saturs ierobežo dominējošo korozijas ceļu - hroma izskalošanos no graudu robežām, savukārt sāļa pievienošana augstā temperatūrā{5} saglabā molibdēnu{4} spēks.

Izkausēti fluorīda sāļi, piemēram, FLiBe (litija fluorīds–berilija fluorīds) un FLiNaK (litija–nātrija–kālija fluorīds) ir pievilcīgi reaktora dzesēšanas šķidrumi, jo tiem ir zema neitronu absorbcija, liela tilpuma siltumietilpība un zems darba spiediens, taču tie ir arī ķīmiski agresīvi pret lielāko daļu strukturālo sakausējumu. Dominējošais degradācijas mehānisms nav vispārējs virsmas uzbrukums, bet gan selektīva hroma izskalošanās no graudu robežām sālī, ko veicina sāls redokspotenciāls; tas var atstāt porainu, hroma{1}}noplicinātu apakšvirsmas slāni un pie pielietota spriedzes veicināt starpkristālu koroziju{2}}veicinātu plaisāšanu.

Hastelloy N tika izstrādāts -Oak Ridge Nacionālajā laboratorijā 1950.–60. gados, īpaši, lai pretotos šim mehānismam kausēta sāls reaktora eksperimentā, un tas - kopā ar Ķīnas sastāvu līdzīgo GH3535, ko izmantoja šīs valsts torija kausētais reaktors, joprojām ir vadošā strukturālo programmu -pārbaude. fluora-sāls-dzesējamo reaktoru koncepcijas. Tā kā šie sakausējumi vēl nav pabeiguši ASME 3. nodaļas 5. nodaļas kvalifikācijas ceļu Amerikas Savienotajās Valstīs, izstrādātāji, kuri plāno tuvākā laika FHR un MSR projektus, kā daļu no savas vispārējās licencēšanas stratēģijas parasti plāno izveidot īpašu materiālu kodu, ko atbalsta ilgstošas ​​​​korozijas un mehāniskās pārbaudes dati.

Kā niķeļa sakausējumi darbojas hēlija{0}}dzesēšanas un augstas temperatūras{1}}temperatūras gāzes reaktoros?

Alloy 617 un Alloy 800H ir vadošie niķeļa sakausējumi HTGR pakalpojumam, jo ​​abi veido stabilu, aizsargājošu hroma -oksīda slāni hēlijā un saglabā lietderīgo šļūdes izturību, kas krietni pārsniedz nerūsējošā tērauda robežas, lai gan abi joprojām ir neaizsargāti pret lēnu karburāciju vai dekarbonizāciju, ja hēlija dzesēšanas šķidruma piemaisījumi izseko.

Ražošanas hēlija dzesēšanas šķidrums HTGR nekad nav ideāli tīrs - oglekļa monoksīda, ūdeņraža, metāna un mitruma pēdas ir neizbēgamas no degvielas, grafīta un sistēmas izplūdes -, un šie piemaisījumi var izraisīt vai nu pārkarbošanos (oglekļa savākšanu, kas trausli sakausējumu), vai tā līdzsvaru, tā zudumus un attīrīšanu atkarībā no lokalizācijas (oglekļa attīrīšanas). temperatūra. Alloy 800H ir gadu desmitiem ilga darbības vēsture šajā vidē, tostarp agrīnās HTGR demonstrācijas rūpnīcās, un tas joprojām ir viens no pieciem oriģinālajiem ASME III sadaļas 5. nodaļas materiāliem.

Kopš 2000. gadu vidus sakausējums 617 ir plaši raksturots kā vadošais starpposma siltummaiņa (IHX) kandidāts - komponents, kas pārnes siltumu no primārās hēlija cilpas uz sekundāro procesu -, jo tas apvieno augstāku-temperatūras stiprumu nekā Alloy 800H, kā arī adekvātu siltuma stabilitāti ASME vidē un adekvātu apstrādi ar hēlija vidi. N-898, kas pagarināja kvalificēto Alloy 617 konstrukciju līdz 954 grādiem (1750 grādi F).

Kādu lomu Alloy 690 spēlē vieglā-ūdens-SMR?

Alloy 690 ir standarta tvaika ģeneratora un siltuma apmaiņas{1}}cauruļu materiāls vieglām-ūdens SMR konstrukcijām, jo ​​tam ir augsta izturība pret primāro ūdens sprieguma korozijas plaisāšanu (PWSCC), kas ir atteices režīms, kas atteica kodolenerģijas nozari no tās priekšgājēja Alloy 600, sākot no 2000. g. 80. gadiem.

Vieglā-ūdens SMR, piemēram, NuScale dizains un GE Hitachi BWRX-300, lielāko daļu materiālu bāzes manto tieši no lielās-reaktora spiediena un verdoša ūdens flotes, tostarp paļaušanās uz Alloy 690 visur, kur niķeļa{6}}visa hroma{6}kontaktā augstas-tīrības, augstas{10}}temperatūras primārais ūdens, kas pakļauts lieces vai izplešanās radītajam atlikušajam spriegumam. Sakausējums 600, ko izmantoja agrākās rūpnīcās, izrādījās jutīgs pret PWSCC pie graudu robežām, veicot ilgtermiņa apkalpošanu, kā rezultātā visā nozarē bija nepieciešama dārga tvaika ģeneratora nomaiņa.

Sakausējuma 690 ievērojami augstāks hroma saturs nodrošina stabilāku, nepārtrauktāku aizsargājošu oksīda plēvi tādos pašos ūdens ķīmiskās un stresa apstākļos, nodrošinot ievērojami labāku izturību pret plaisāšanu desmitiem gadu ilgas turpmākās darbības pieredzes laikā. Tā kā vieglā-ūdens SMR darbojas tādā pašā temperatūrā un ūdens-ķīmijas diapazonā kā parastā PWR flote, Alloy 690 caurules tiek izmantotas kā kvalificēts, kodam-pieņemts materiāls, nevis nepieciešams jauns augstas -temperatūras kvalifikācijas darbs, kāds ir nepieciešams, piemēram, HTGR un sāli.

Kādi ir galvenie noārdīšanās mehānismi, kas niķeļa sakausējumiem ir jāiztur SMR pakalpojumā?

Dominējošais noārdīšanās mehānisms atšķiras atkarībā no dzesēšanas šķidruma: šļūde un hēlija{0}}piemaisījumu karburizācija regulē gāzi-dzesētas konstrukcijas, hroma izskalošanās regulē izkausētu-sāļu dizainu, primārā ūdens sprieguma korozijas plaisāšana nosaka vieglo-ūdens dizainu, un starojuma{{4}{{{{0}izraisītais šķērsojums ir hēlija embrija. sakausējums, ko izmanto augsta neitronu plūsmas pozīcijā.

3. tabula. Galvenie noārdīšanās mehānismi niķeļa sakausējumiem ir jāiztur SMR dzesēšanas šķidruma klases, kā arī primārā konstrukcija vai metalurģijas mazināšanas līdzekļi, ko izmanto pašreizējā praksē.

Kā ASME III sadaļas 5. nodaļa kvalificē jaunu materiālu izmantošanai progresīvā reaktorā?

Jauns kodolstrukturālais materiāls tiek pārvietots no kandidāta uz kvalificētu statusu, izmantojot oficiālu ASME koda-gadījuma procesu, kurā ir nepieciešama ievērojama vairāku-gadu datu pakotne par šļūdes, stiepes un noguruma izturēšanos paredzētajā ekspluatācijas temperatūras diapazonā, ko pārskata un apstiprina attiecīgā ASME apakškomiteja, pirms to var izmantot licencētiem būvdarbiem.

ASME III sadaļas 5. nodaļa tika publicēta, lai apvienotu augstas temperatūras kodolbūves noteikumus visiem uzlabotajiem reaktoru dzesēšanas šķidruma veidiem vienā nodaļā, pamatojoties uz projektēšanas metodēm, kas sākotnēji tika izstrādātas nātrija dzesēšanas reaktoriem. Lai pievienotu jaunu materiālu -, kā tas notika sakausējumam 617 -, materiāla ražotājam vai nozares konsorcijam ir jāsamontē A klases dizaina datu pakotne, kas aptver stiepes un šļūdes -pārrāvuma īpašības paredzētajā temperatūras diapazonā, izohronā sprieguma-deformācijas līknes augstas{8}}temperatūras un mijiedarbības datiem, nogurumu un nogurumu. informācija par metināmību, visa izstrādāta saskaņā ar koda “Vadlīnijas par projektēšanas datu vajadzībām jauniem materiāliem”.

Pēc tam ASME katlu un spiedtvertņu komiteja izskata un balsoja šo paketi, pirms publicēja formālu kodu; Alloy 617 koda gadījumi prasīja aptuveni desmit gadus ilgu raksturojuma darbu, lai gan ASME kopš tā laika ir racionalizējusi turpmāko materiālu pārskatīšanas ciklu, pamatojoties uz gūtajām atziņām. Šis process ir galvenais iemesls, kāpēc daži strukturāli daudzsološi niķeļa sakausējumi, piemēram, Hastelloy N, joprojām ir kandidāti, nevis kvalificēti materiāli ASV licencētajai celtniecībai, lai gan to korozija un mehāniskā uzvedība ir pētīta gadu desmitiem.

Kurš niķeļa sakausējums ir jānorāda uzlabotā reaktora sastāvdaļai?

Saskaņojiet sakausējumu ar dzesēšanas šķidruma regulējošo ķīmisko sastāvu un konkrētā komponenta temperatūru, nevis ar reaktora klasi kopumā, jo viena SMR konstrukcija var ietvert vairākas atšķirīgas darbības vides tā primārajā un sekundārajā sistēmā.

4. tabula. Komponentu-līmeņa niķeļa sakausējuma izvēles norādījumi pēc SMR dzesēšanas šķidruma vides. Galīgā materiāla atlase ir jāapstiprina saskaņā ar konkrētā reaktora pārdevēja apstiprināto projektu un ASME koda izdevuma/koda gadījumiem, ko izmanto licencēšanas bāze.

Kāds ir pašreizējais SMR izvietošanas stāvoklis un kāpēc tas ir svarīgi materiālu piegādes ķēdei?

Kopš 2026. gada Amerikas Savienotās Valstis pirmo reizi desmitgadēs ir pārgājušas no papīra projektēšanas uz aktīvu būvniecību, un šī pāreja sāk radīt reālu īstermiņa pieprasījumu pēc kodolieroču niķeļa sakausējuma plāksnēm, caurulēm un kalumiem, nevis tikai pētniecības-mēroga daudzumiem.

TerraPower saņēma pirmo ASV Kodolenerģijas regulatīvās komisijas būvniecības atļauju, kas jebkad izdota komerciālam ne-vieglajam-ūdens spēkstacijas reaktoram 2026. gada martā, un neilgi pēc tam uzlauza savu nātrija-dzesēšanas nātrija rūpnīcu Kemererā, Vaiomingā. NuScale Power uzlabotais SMR dizains ir saņēmis NRC apstiprinājumu, un komunālie uzņēmumi, tostarp Tenesī ielejas pārvalde, ir uzsākuši vairāku{7}}gigavatu SMR izvietošanas programmas.

X-enerģijas hēlija-dzesētais Xe-100 tiek virzīts uz NRC pārskatīšanu Teksasas vietā, un Kairos Power turpina būvēt secīgas fluorīda-sāls dzesēšanas testa vienības Tenesī. Lielie tehnoloģiju uzņēmumi ir atsevišķi parakstījuši vairāk nekā desmit gigavatus papildu kodolenerģijas jaudas, lai palīdzētu nodrošināt AI datu centru izaugsmi, kas ir privāto saistību mērogs, kas šajā nozarē ir jauns.

Sakausējumu un komponentu piegādātājiem tas nozīmē, ka niķeļa sakausējumu kategorijas, kas jau ir apspriestas šajā rokasgrāmatā - Alloy 690, Alloy 617, Alloy 800H un izkausētā-sāls-izturīgā Hastelloy N saime -, pāriet no galvenokārt akadēmisko un laboratorijas testu programmām uz{{7}. pirmais-no--komerciālajam iepirkumam ar dzirnavu pārbaudes atskaites izsekojamību un kodu-atbilstību gadījumam, kas kļūst par tuvākā-pirkuma prasību, nevis par apsvērumu nākotnē.

Bieži uzdotie jautājumi

Q: Vai SMR komponentos var izmantot standarta 316 nerūsējošo tēraudu?

A: Jā, zemas temperatūras{0}}komponentiem. 304H un 316H tipi joprojām ir kvalificēti ASME 3. nodaļas 5. nodaļas materiāliem un tiek izmantoti progresīvos reaktoru projektos visur, kur ekspluatācijas temperatūra nepārsniedz pieļaujamo -sprieguma diapazonu -, parasti līdz aptuveni 550–650 grādiem atkarībā no projektētā kalpošanas laika un slodzes. Pārsniedzot šo diapazonu, to šļūdes izturība krītas pārāk ātri, lai nodrošinātu vairāku{10}desmitgadu konstrukcijas kalpošanas laiku, un šajā laikā Alloy 617 un Alloy 800H pārņem.

Q: Kāda ir augstākā temperatūra, ko var izturēt kodol{0}}kvalificēts niķeļa sakausējums?

A: Saskaņā ar pašreizējiem ASME III sadaļas 5. nodaļas koda gadījumiem sakausējums 617 ir piemērots konstrukcijai līdz 954 grādiem (1750 grādiem F), kas ir augstākā temperatūras robeža no jebkura materiāla, kas pašlaik ir kvalificēts ASV kodolbūvei. Faktisko komponentu projektēto temperatūru nosaka konkrētā reaktora konstrukcijas{9}}bāzes analīze, nevis sakausējuma maksimālā koda ierobežojums.

Q: Kāpēc Hastelloy N vēl netiek izmantots licencētā ASV komerciālā reaktorā?

A: Ne tāpēc, ka tā veiktspēja ir apšaubāma -, tam ir gadu desmitiem ilgas pārbaudes un ierobežoti darbības dati, sākot no 1960. gadu izkausētā sāls reaktora eksperimenta -, bet gan tāpēc, ka tas vēl nav pabeidzis oficiālo ASME III sadaļas 5. nodaļas materiālu kvalifikācijas procesu, kas nepieciešams licencētai komerciālai būvniecībai Amerikas Savienotajās Valstīs. Paredzams, ka izstrādātājiem, kas izmanto izkausētu -sāli vai fluorīdu{6}}sāli-dzesētus dizainus, licencēšanas ceļā izmantos īpašu kodu.

Q: Vai Alloy 690, ko izmanto SMR tvaika ģeneratoros, atšķiras no Alloy 690, ko izmanto lielos PWR?

A: Nē. Vieglā-ūdens SMR konstrukcijas parasti balstās uz tām pašām ASME-kvalificētajām Alloy 690 materiālu specifikācijām, kas jau noteiktas parastajiem spiediena{4}}ūdens reaktoriem, jo ​​abi darbojas līdzīgā primārā ūdens ķīmijas un temperatūras diapazonā. Šim pielietojumam pašam sakausējumam nav nepieciešama jauna augstas temperatūras{6}}kvalifikācija.

Q: Cik ilgs laiks parasti nepieciešams, lai ASME kodolkodam pievienotu jaunu materiālu?

A: Vēsturiski aptuveni desmitgade pirmajam--tāda veida-veida augstas temperatūras-materiālam - Alloy 617 koda gadījumiem pagāja aptuveni tik ilgs laiks no sākotnējās raksturošanas līdz publicēšanai. Kopš tā laika ASME ir racionalizējis savu pārskatīšanas darbplūsmu, pamatojoties uz no šiem centieniem gūto pieredzi, taču nepieciešamās šļūdes, noguruma un metināmības datu paketes komplektēšana joprojām ir likmi{7}}ierobežojošais solis jebkuram jaunam kandidātmateriālam.