Az atomerőművek ötvözetére vonatkozó követelmények: Amit tudnia kell

Bevezetés

Az atomerőmű a Föld egyik legigényesebb anyagi környezete. A reaktorban használt ötvözeteknek egyszerre kell ellenállniuk a szélsőséges hőnek, erős sugárzásnak, nagy-nyomású víznek vagy gőznek, valamint a könyörtelen korróziós veszélynek - gyakran 60 évig vagy tovább csere nélkül. Ha rosszul használja az anyagot, a következmények a költséges, nem tervezett leállásoktól a legrosszabb esetben a radioaktív szennyeződésig terjednek.

Ez az útmutató elmagyarázza, hogy mely rozsdamentes acél- és nikkelötvözet-minőségeket használnak az atomerőművekben, miért választották mindegyiket, és milyen nemzetközi szabványok szabályozzák a használatukat. Legyen szó mérnökről, aki új építkezéshez szükséges anyagokat ad meg, professzionális beszerzési rudat és lemezt, vagy egyszerűen csak kíváncsi arra, hogyan épülnek az atomerőművek tartósan, ez a cikk megadja a szükséges tényeket.

A nukleáris anyagok magyarázata

Az atomerőművek alkatrészei négy egyidejű fenyegetésnek néznek ki, amelyeket egyetlen közönséges fém sem képes egyedül kezelni:

Magas hőmérséklet:Az elsődleges hűtőközeg egy nyomás alatti vizes reaktorban (PWR) körülbelül 315–343 fokon, 155 bar nyomáson működik. A forróvizes reaktorok (BWR) 285 fok körüli hőmérsékleten, 75 bar nyomáson működnek.

Magas sugárzás:A gyors neutronok és gamma-sugarak atomi elmozdulást okoznak a fémekben, ami duzzadáshoz, ridegséghez és a mechanikai tulajdonságok idővel történő megváltozásához vezet - ezt a jelenséget sugárzási károsodásnak vagy besugárzási ridegedésnek nevezik.

Korrózió:A forró, nagy{0}}tisztaságú víz oldott hidrogénnel (PWR-k) vagy oxigéntartalmú víz (BWR-ek) rendkívül agresszív elektrokémiai környezetet hoz létre, amely különösen veszélyes a feszültségkorróziós repedésnek (SCC) érzékeny ötvözetek esetében.

Hosszú élettartam:Az atomerőműveket 40–60 évre engedélyezik, az élettartam-meghosszabbítási programok pedig 80 évre teszik az alkatrészeket. Az anyagoknak meg kell őrizniük tulajdonságaikat a teljes élettartam alatt.

Az ausztenites rozsdamentes acélok és a nikkel{0}}alapú szuperötvözetek jelentik a megoldást erre a kihívásra. Az arc-centrikus köbös (FCC) kristályszerkezetük ellenáll a sugárzási ridegségnek, magas krómtartalmuk öngyógyító oxidréteget képez a korrózió ellen, a megemelt nikkeltartalmuk pedig kivételes szívósságot biztosít a teljes üzemi hőmérséklet-tartományban.

Nikkelötvözetek atomerőművekben

Ha van olyan ötvözet, amely meghatározza a modern PWR-tervezést, az az Alloy 690 (UNS N06690). Az 58 % nikkelt, 29 % krómot és 9 % vasat tartalmazó névleges összetételű Alloy 690-et kifejezetten a régebbi Alloy 600 helyettesítésére fejlesztették ki, amely érzékenynek bizonyult az elsődleges vízterheléses korróziós repedésekre (PWSCC) az évekig tartó használat után -, ami világszerte rendkívül költséges javításokhoz vezetett az üzemekben.

A "TT" megjelölés a termikusan kezelt, ellenőrzött hőkezelést jelenti, amely a szemcsehatárokon kicsapja a króm-karbidokat. Ez a mikroszerkezeti módosítás gyakorlatilag kiküszöböli a PWSCC érzékenységet. Napjainkban minden új PWR gőzfejlesztő, amelyet világszerte - a kínai és az egyesült államokbeli AP1000-től a franciaországi és egyesült királyságbeli EPR-ig - gyártanak, ötvözött 690TT csövet ír elő ASME SB-163-hoz, jellemzően 19,05 mm külső átmérőjű, 1,07 mm falvastagsággal. Egyetlen nagy gőzfejlesztő körülbelül 10 000 csövet tartalmaz, amelyek mindegyike legfeljebb 21 méter hosszú.

625-ös ötvözetA tulajdonságok erőteljes kombinációját hozza a nukleáris szolgálatba: legalább 58% nikkelt, 20-23% krómot és 8-10% molibdént. Szakítószilárdsága izzított állapotban meghaladja a 830 MPa-t, és neutronbesugárzás után is kiváló szívóssága megmarad. Ezek a jellemzők az Alloy 625-öt teszik a reaktormag belső tereinek, a reaktor nyomástartó edényeinek fúvókáinak burkolatának és a reaktortartály belsejében lévő szerkezeti elemeknek a választott anyagává, ahol mind a sugárzásnak való kitettség, mind a korrozív hűtőközeg érintkezése elkerülhetetlen. Az ASME SB-443 (lemez) és az ASME SB-446 (bar) szabványhoz van megadva.

718-as ötvözet egy csapadékra -edzett nikkel-krómötvözet, amelynek végső szakítószilárdsága meghaladja az 1380 MPa-t a kor-edzett állapotban - a legmagasabbak közé tartozik a rendelkezésre álló korrózióálló-ötvözetek közül. Atomerőművekben nagy szilárdságú kötőelemekhez, tartórugókhoz és reaktor belső elemekhez használják, amelyeknek évtizedeken keresztül meg kell őrizniük a pontos mechanikai méreteket. Relaxációval szembeni ellenállása (a szorítóerő fokozatos elvesztése tartós terhelés mellett magas hőmérsékleten) kritikus fontosságú a reaktorhűtőrendszerek csavarkötéseinél. Megfelel az ASME SB-637 és ASTM B637 szabványoknak.

600-as ötvözet(UNS N06600), amely legalább 72% nikkelt és 14-17% krómot tartalmaz, az 1960-as évektől az 1980-as évekig a PWR gőzfejlesztő csövek ipari szabványa volt. A helyszíni tapasztalatok azonban azt mutatták, hogy mal{7}}hevített állapotban az Alloy 600 érzékeny a PWSCC-re magas-hőmérsékletű primer vízben -, ez egy olyan korróziós mechanizmus, amely húzófeszültség hatására szemcsék közötti repedéseket terjeszt.

Az ipar több évtizeden keresztül több mint 20 milliárd USD-t költött az Alloy 600 alkatrészek cseréjére. Az Alloy 600 továbbra is üzemben marad néhány régebbi üzemben, de már nincs megadva új építéshez. Ennek az előzménynek a megértése nélkülözhetetlen annak megértéséhez, hogy az Alloy 690TT miért uralja a modern specifikációkat.

Rozsdamentes acél minőségek a nukleáris szolgálatban

316L osztály(UNS S31603) és annak nitrogén-fokozott változata, a 316LN a nukleáris hűtőközeg-rendszer csővezetékeinek igáslói. Az alacsony szén-dioxid-specifikáció (0,03 % vagy annál kisebb) megakadályozza a hegesztés közbeni érzékenységet, megőrzi a korrózióállóságot a hőhatásnak kitett zónákban. A nitrogén hozzáadása a 316LN-ben (0,10–0,16 % N) kompenzálja az alacsony szén-dioxid-kibocsátás okozta szilárdságcsökkenést, és a 205 MPa-os legalább 0,2%-os szilárdság elérése - fontos követelmény, mivel a nukleáris csővezetékeknek meg kell felelniük az ASME III. szakasza, NB Class 1 szerinti szigorú nyomáshatár integritási szabványoknak.

Az ASME SA-182-re vagy ASME SA-376-ra kovácsolt, nagy-316LN átmérőjű csővezeték alkotja a PWR-k elsődleges hűtőkörét -, amely a forró vizet keringeti a reaktor nyomástartó edénye és a gőzfejlesztők között. Ez a biztonsági{8}}kritikus cső: itt a meghibásodás a hűtőfolyadék-kiesési baleset (LOCA) meghatározása, amely a nukleáris veszélyhelyzet-tervezés kezdeti eseménye.

304L minőség(UNS S30403) a nukleáris konténment béléseinek, kiégett fűtőelem-medencéinek, üzemanyagtöltő csatornáinak és nagy-térfogatú tárolótartályainak szabványos anyaga. Hegeszthetősége kiváló, és az alacsony szén-dioxid-kibocsátású-minőség kiküszöböli az érzékenység kockázatát több ezer méteres hegesztési varratnál egy nagy védőszerkezetben. A lemezt és a lemezt az ASME SA-240 szállítja; cső és cső az ASME SA-312-hez.

321. évfolyam(titán-stabilizált) és 347 (nióbium-stabilizált) olyan alkatrészekhez vannak megadva, amelyek hőcikluson - ismétlődő fűtésen és hűtésen - mennek keresztül, például hőcserélők, közbenső hűtőhurkok és bizonyos csőrendszerek. A stabilizáló elemek kémiailag megkötik a szenet, megakadályozzák a króm-karbid kiválását még hosszabb idő után is az érzékenyítési tartományban (425-850 fok) lévő hőmérsékleten. Mindkét minőség megfelel az ASME SA-240 (lemez) és SA-182 (kovácsolt anyagok) szabványoknak.

Cirkóniumötvözetek - Tüzelőanyag-burkolat

A nukleáris anyagokról szóló vita nem teljes a cirkóniumötvözetek említése nélkül. A Zircaloy-4 és Zr-2,5Nb termikus neutronabszorpciós keresztmetszete csak 0,18 barn- – ez nagyjából 40-szer alacsonyabb, mint a rozsdamentes acél –, így lényegében átlátszóak a láncreakció fenntartásához szükséges neutronok számára. A tüzelőanyag-pelleteket cirkóniumötvözetből készült burkolócsövekbe foglalják (általában 9,5 mm külső átmérőjű, 0,57 mm-es fal), amelyek az első akadályt képezik a radioaktív üzemanyag és a hűtőközeg között. Míg a cirkóniumötvözetek kívül esnek a rozsdamentes acél és nikkelötvözetek termékskáláján, szerepük megmagyarázza, hogy a rozsdamentes acél miért korlátozódik magán az üzemanyag-kazettán kívüli szerkezeti alkalmazásokra.

Nukleáris ötvözetre vonatkozó követelmények: Gyors referencia táblázat

Az alábbi táblázat összevont referenciaként szolgál a mérnökök és beszerzési csoportok számára, amelyek ötvözeteket határoznak meg atomerőművi alkalmazásokhoz.

1. táblázat: Az atomerőművekben használt kulcsfontosságú ötvözetek és rozsdamentes acélminőségek a vonatkozó szabványokkal. *A 600-as ötvözet megmaradt néhány régi üzemben; nincs meghatározva új építésre. A Zircaloy csak referenciaként szerepel.

Nukleáris kódexek és szabványok: Mi szabályozza az anyagok minősítését

A nukleáris anyagok minden iparágban a legszigorúbban szabályozottak közé tartoznak. Egy anyag nem felelhet meg egyszerűen kémiai és mechanikai specifikációinak - nyomon követhetőnek, teszteltnek, dokumentáltnak és minőségbiztosítási program keretében minősítettnek kell lennie. A legfontosabb irányítási keretek a következők:

ASME Boiler and Pressure Vessel Code (BPVC) III. szakasz: A nukleáris nyomástartó edények, csövek, szivattyúk és szelepek elsődleges kódja az Egyesült Államokban és számos nemzetközi piacon. Az anyagoknak szerepelniük kell a jóváhagyott anyagtáblázatokban (pl. Code Case N-60 az Alloy 690-hez).

RCC-M (francia nukleáris kód): a francia megfelelője, kötelező az EPR reaktoroknál, és nemzetközileg széles körben hivatkoznak rá. Az RCC-M M4105 ötvözött 690TT csöveket takar.

ASME NQA-1: Nukleáris létesítmények minőségbiztosítási követelményei. Minden anyagbizonyítványnak, hőkezelési jegyzőkönyvnek és vizsgálati jegyzőkönyvnek egyedi hőszámra visszavezethetőnek kell lennie.

10 CFR 50 B. függelék (US NRC): Az Egyesült Államok Nukleáris Szabályozó Bizottságának minőségbiztosítási kritériumai az atomerőművekre vonatkozóan, minden biztonsággal kapcsolatos anyagra érvényes.

NAÜ biztonsági szabványok (SSR-2/1): A Nemzetközi Atomenergia Ügynökség atomerőművek tervezésére vonatkozó követelményei, amelyekre több mint 40 ország szabályozó testületei hivatkoznak.

A gyakorlatban ez azt jelenti, hogy a nukleáris-minősségű ötvözet 690-es csövek malomvizsgálati tanúsítványa (MTC) 10 vagy több oldalra terjedhet ki, dokumentálva a kémiát (hőelemzés és termékelemzés), a szakítószilárdságokat szobai és megemelt hőmérsékleten, a keménységet, a korróziós teszteket, a méretellenőrzést és a roncsolásmentes vizsgálat minden eredményét {{4} aláírja {{4}.

Mire figyeljen a nukleáris-minőségű ötvözetek beszerzésekor

A nukleáris szolgáltatáshoz rozsdamentes acél- vagy nikkelötvözeteket meghatározó beszerzési csoportoknak a beszerzési megrendelés kiadása előtt ellenőrizniük kell a következőket:

Nukleáris minősítés: Győződjön meg arról, hogy az anyagot a vonatkozó kóddal (ASME III, RCC-M, JSME vagy KEPIC) hagyták jóvá, és hogy a gyár rendelkezik a szükséges nukleáris minőségi programmal (NQA-1 vagy azzal egyenértékű).

Hőkövethetőség: Minden darabnak egyedi olvadási hőszámra kell visszavezetnie. A hőkeverés dokumentáció nélkül nem megfelelő a nukleáris ellátási láncokban.

Harmadik-ellenőrzés: Egy felhatalmazott nukleáris felügyelőnek (ANI) vagy jóváhagyott harmadik félnek szemtanúja kell, hogy legyen a legfontosabb teszteknek a malomban, és igazolnia kell azokat. A tanúsítási pont (W) és a tartási pont (H) követelményei a beszerzési megrendelésben vannak meghatározva.

Pozitív anyagazonosítás (PMI): A biztonsági besorolású alkatrészeknél kötelező a helyszíni XRF vagy OES ellenőrzése, hogy a kapott ötvözet egyezik-e a megrendelt ötvözettel.

Hamisított és csalárd tételek (CFSI): A nukleáris beszerzésnek tartalmaznia kell a CFSI megelőzési intézkedéseket a 2012–2010-es NRC szerint. Csak olyan jóváhagyott beszállítóktól vásároljon, akik rendelkeznek dokumentált jóváhagyott beszállítói listával (ASL).

Következtetés

Az atomerőművek olyan ötvözeteket igényelnek, amelyek messze túlmutatnak a szabványos ipari minőségeken. Az Alloy 690TT a gőzfejlesztő csöveinek etalonja, éppen azért, mert megoldja az Alloy 600-at évtizedekig sújtó PWSCC problémát. Az Alloy 625 és Alloy 718 biztosítja a mag belső részeihez és a nagy feszültségű kötőelemekhez szükséges szilárdságot és sugárzásállóságot. Az ausztenites rozsdamentes acélok -, különösen a 316LN, 304L, valamint a stabilizált 321-es és 347 - minőségek alkotják a hűtőfolyadék-csövek, a konténment és a hőcserélő rendszerek gerincét.

Ami ezeket az anyagokat egyesíti, az a szigorú minősítés: kémia, mechanikai tesztelés, hőkövethetőség, kódmegfelelőség és független ellenőrzés. Az atomenergiában a papírmunka nem bürokrácia -, hanem mérnöki integritás. Nem előnyben részesítjük a bizonyított nukleáris minőségi programmal rendelkező minősített beszállítót; ez követelmény.