Kröfur um málmblöndur í kjarnorkuveri: Það sem þú þarft að vita

Inngangur

Kjarnorkuver er eitt mest krefjandi efnisumhverfi jarðar. Málblöndur sem notaðar eru inni í kjarnaofni verða samtímis að standast mikinn hita, mikla geislun, háan-vatnsþrýsting eða gufu og stanslausa hættu á tæringu - oft í 60 ár eða lengur án þess að skipta um það. Farðu rangt með efnið og afleiðingarnar eru allt frá kostnaðarsömum vanhugsuðum stöðvum til í versta falli geislamengunar.

Þessi handbók útskýrir hvaða ryðfríu stáli og nikkelblenditegundir eru notaðar í kjarnorkuverum, hvers vegna hvert þeirra var valið og hvaða alþjóðlegir staðlar stjórna notkun þeirra. Hvort sem þú ert verkfræðingur sem tilgreinir efni fyrir nýbyggingu, innkaupastarfsmaður sem kaupir bar og disk, eða einfaldlega einhver sem er forvitinn um hvernig kjarnorkuver eru byggð til að endast, þá gefur þessi grein þér þær staðreyndir sem þú þarft.

Kjarnorkuefni útskýrðu

Íhlutir kjarnorkuvera standa frammi fyrir fjórum ógnum samtímis sem enginn einn venjulegur málmur ræður við einn:

Hár hiti:Aðal kælivökvi í þrýstivatnsreactor (PWR) keyrir á um það bil 315–343 gráðum við 155 bör. Kljúfar með sjóðandi vatni (BWR) starfa við um 285 gráður við 75 bör.

Mikil geislun:Hratt nifteindir og gammageislar valda atómfærslu í málmum, sem leiðir til bólgu, stökkbreytinga og breytinga á vélrænni eiginleikum með tímanum - fyrirbæri sem kallast geislaskemmdir eða geislunarbrot.

Tæring:Heitt,-hreint vatn með uppleystu vetni (PWR) eða súrefnisríkt vatn (BWR) skapar mjög árásargjarnt rafefnafræðilegt umhverfi, sérstaklega hættulegt málmblöndur sem eru næmar fyrir tæringarsprungu (SCC).

Langur endingartími:Kjarnorkuver eru með leyfi til 40–60 ára, með-lífslengingaráætlunum sem ýta íhlutum í 80 ár. Efni verða að viðhalda eiginleikum allan þennan líftíma.

Austenitískt ryðfrítt stál og nikkel-ofurblendi eru lausnin á þessari áskorun. Andlits-miðuð kúbik (FCC) kristalbygging þeirra standast geislunarbrot, hátt króminnihald þeirra myndar sjálf-græðandi oxíðlag gegn tæringu og hækkað nikkelinnihald þeirra veitir einstaka seigleika á öllu rekstrarhitasviðinu.

Nikkelblendi í kjarnorkuverum

Ef það er eitt álfelgur sem skilgreinir nútíma PWR hönnun, þá er það Alloy 690 (UNS N06690). Með nafnsamsetningu 58% nikkels, 29% króms og 9% járns, var Alloy 690 þróað sérstaklega til að koma í stað eldri Alloy 600, sem reyndist næmt fyrir grunnvatnsspennu tæringarsprungum (PWSCC) eftir margra ára notkun - vandamál sem leiddi til mjög dýrra viðgerða á verksmiðjum um allan heim.

„TT“ táknið stendur fyrir hitameðhöndlaða, stýrða hitameðferð sem fellur út krómkarbíð við kornmörk. Þessi örbyggingarbreyting útilokar nánast PWSCC næmi. Í dag tilgreinir hver nýr PWR gufugjafa sem smíðaður er á heimsvísu - frá AP1000 í Kína og Bandaríkjunum til EPR í Frakklandi og Bretlandi - Alloy 690TT slöngur á ASME SB-163, venjulega í 19,05 mm OD með 1,07 mm veggþykkt. Einn stór gufugjafi inniheldur um það bil 10.000 rör, hver um sig allt að 21 metra löng.

Blöndun 625færir öfluga samsetningu eiginleika til kjarnorkuþjónustu: Meira en eða jafnt og 58% nikkel, 20–23% króm og 8–10% mólýbden. Togstyrkur þess í glæðu ástandi fer yfir 830 MPa og það heldur framúrskarandi hörku eftir nifteindageislun. Þessir eiginleikar gera Alloy 625 að valinu efni fyrir innri kjarna kjarna kjarna, klæðningar á kjarnaþrýstihylkisstútum og burðarhluta inni í kjarnahylkinu, þar sem bæði geislun og snerting við ætandi kælivökva er óhjákvæmilegt. Það er tilgreint fyrir ASME SB-443 (plata) og ASME SB-446 (bar).

álfelgur 718 er úrkomu-hert nikkel-króm málmblöndu með endanlegum togstyrk sem fer yfir 1.380 MPa í aldri-hertu ástandi - með því hæsta af öllum tæringarþolnu-blendi sem til er. Í kjarnorkuverum er það notað fyrir há-festingar, stöðvunargorma og innra hluta kjarnaofna sem verða að viðhalda nákvæmri vélrænni stærð í áratugi. Viðnám þess gegn slökun (smám saman tap á klemmukrafti við viðvarandi álag við háan hita) er mikilvægt fyrir boltasamskeyti í reactor kælivökvakerfi. Það er í samræmi við ASME SB-637 og ASTM B637.

álfelgur 600(UNS N06600), með meira en eða jafnt og 72% nikkel og 14–17% króm, var iðnaðarstaðall fyrir PWR gufugeneratorslöngur frá 1960 til 1980. Hins vegar, reynsla á vettvangi leiddi í ljós að í myllu-glæðu ástandi, er Alloy 600 næm fyrir PWSCC í há-hita grunnvatni - tæringarkerfi sem breiðir út sprungur á milli kyrninga við togálag.

Iðnaðurinn eyddi áætlaðri 20 milljörðum Bandaríkjadala+ í að skipta um Alloy 600 íhlutum á nokkrum áratugum. Alloy 600 er áfram í notkun í sumum eldri verksmiðjum en er ekki lengur tilgreint fyrir nýsmíði. Skilningur á þessari sögu er nauðsynlegt samhengi til að skilja hvers vegna Alloy 690TT drottnar yfir nútíma forskriftum.

Einkunnir úr ryðfríu stáli í kjarnorkuþjónustu

Einkunn 316L(UNS S31603) og köfnunarefnis-bætt afbrigði 316LN þess eru vinnuhestar í leiðslum kjarnorkukælivökvakerfisins. Lág-kolefnisforskriftin (minna en eða jafnt og 0,03 % C) kemur í veg fyrir næmingu við suðu og varðveitir tæringarþol á hita-svæðum. Viðbót á köfnunarefni í 316LN (0,10–0,16 % N) bætir upp styrkminnkunina af völdum lágs kolefnis, með því að ná að lágmarki 0,2% sönnunarstyrk upp á 205 MPa - mikilvæg krafa vegna þess að kjarnorkulögn verða að uppfylla ströng þrýstingsmörk heilleikastaðla samkvæmt ASME Class Section 1, NBME Class Section III.

Stór-316LN pípa í þvermál, svikin í ASME SA-182 eða ASME SA-376, myndar aðal kælivökvalykkjuna í PWR - lykkjunni sem dreifir heitu vatni á milli kjarnaþrýstihylkisins og gufugjafanna. Þetta er öryggis-mikilvæg pípa: bilun hér er skilgreiningin á tapi á kælivökva (LOCA), upphafsatburðinum í kjarnorkuneyðaráætlun.

Einkunn 304L(UNS S30403) er staðlað efni fyrir kjarnorkuvörn, laugar fyrir notað eldsneyti, eldsneytisskurðir og stóra-geymslutanka. Suðuhæfni þess er framúrskarandi og lágt-kolefnisstigið útilokar hættu á næmingu á þúsundum metra af suðusaumum í stórri innilokunarbyggingu. Plata og lak eru afhent ASME SA-240; rör og rör til ASME SA-312.

321. bekk(títan-stöðugað) og 347 (níóbíum-stöðugað) eru tilgreindar fyrir íhluti sem gangast undir hitauppstreymi - endurtekna upphitun og kælingu - eins og varmaskipti, millikælilykkjur og ákveðin lagnakerfi. Stöðugandi þættir binda kolefni á efnafræðilegan hátt og koma í veg fyrir útfellingu krómkarbíðs, jafnvel eftir langan tíma við hitastig á næmingarsviðinu (425–850 gráður). Báðar einkunnir eru í samræmi við ASME SA-240 (plata) og SA-182 (smíðar).

Sirkonblendi - Eldsneytisklæðning

Engin umfjöllun um kjarnorkuefni er lokið án þess að nefna sirkonblendi. Zircaloy-4 og Zr-2.5Nb eru með varma nifteinda frásogsþversniði- sem er aðeins 0.18 hlöður - u.þ.b. 40 sinnum lægri en ryðfríu stáli - sem gerir þær að mestu gagnsæjar fyrir nifteindunum sem þarf til að viðhalda keðjuverkuninni. Eldsneytiskögglar eru hjúpaðir í sirkon álfelgur klæðningarrör (venjulega 9,5 mm OD, 0,57 mm vegg) sem mynda fyrstu hindrunina á milli geislavirka eldsneytis og kælivökvans. Þó sirkon málmblöndur falli utan ryðfríu stáli og nikkelblendi vöruúrvalinu, þá skýrir hlutverk þeirra hvers vegna ryðfrítt stál er takmarkað við burðarvirki utan eldsneytissamstæðunnar sjálfs.

Kröfur um kjarnablendi: Flýtivísunartafla

Taflan hér að neðan veitir samstæðu tilvísun fyrir verkfræðinga og innkaupateymi sem tilgreina málmblöndur fyrir kjarnorkuver.

Tafla 1: Lykil málmblöndur og ryðfríu stáli sem notuð eru í kjarnorkuverum, með viðeigandi stöðlum. *Aloy 600 haldið í sumum eldri verksmiðjum; ekki tilgreint fyrir nýbyggingar. Zircaloy skráð til viðmiðunar eingöngu.

Kjarnorkureglur og staðlar: Hvað stjórnar efnishæfi

Kjarnorkuefni eru með ströngustu reglum í hvaða atvinnugrein sem er. Efni getur ekki einfaldlega uppfyllt efnafræðilegar og vélrænar forskriftir þess - það verður að vera rekjanlegt, prófað, skjalfest og hæft samkvæmt gæðatryggingaráætlun. Helstu stjórnunarrammar eru:

ASME Boiler and Pressure Vessel Code (BPVC) Hluti III: Aðalkóði fyrir kjarnorkuþrýstihylki, leiðslur, dælur og lokar í Bandaríkjunum og mörgum alþjóðlegum mörkuðum. Efni verða að koma fram í samþykktum efnistöflum (td Code Case N-60 fyrir Alloy 690).

RCC-M (fransk kjarnorkukóði): Franska jafngildið, skylda fyrir EPR kjarnaofna og víða vísað til á alþjóðavettvangi. RCC-M M4105 hylur Alloy 690TT slöngur.

ASME NQA-1: Gæðatryggingarkröfur fyrir kjarnorkuver. Sérhvert efnisvottorð, hitameðferðarskrá og prófunarskýrslu verða að vera rekjanleg til einstakts hitanúmers.

10 CFR 50 viðauki B (US NRC): Gæðatryggingarviðmið bandarísku kjarnorkueftirlitsnefndarinnar fyrir kjarnorkuver, sem gilda um allt -öryggistengt efni.

Öryggisstaðlar IAEA (SSR-2/1): Kröfur Alþjóðakjarnorkumálastofnunarinnar um hönnun kjarnorkuvera, vísað til af eftirlitsstofnunum í yfir 40 löndum.

Í reynd þýðir þetta að verksmiðjuprófunarvottorð (MTC) fyrir kjarna-gæða Alloy 690 slöngur getur tekið 10 eða fleiri blaðsíður, sem skráir efnafræði (hitagreining og vörugreining), togeiginleika við stofuhita og hærra hitastig, hörku, tæringarprófanir, víddarskoðun og ó-}{4}} eyðileggjandi athugun er undirrituð af niðurstöðum höfundar -.

Hvað á að leita að þegar þú kaupir kjarnorku-gæða málmblöndur

Innkaupateymi sem tilgreina ryðfríu stáli eða nikkelblendi fyrir kjarnorkuþjónustu ættu að sannreyna eftirfarandi áður en þeir gefa út innkaupapöntun:

Kjarnorkuhæfi: Staðfestu að efnið sé samþykkt samkvæmt viðeigandi kóða (ASME III, RCC-M, JSME eða KEPIC) og að verksmiðjan hafi tilskilin kjarnorkugæðaáætlun (NQA-1 eða sambærilegt) til staðar.

Hitarekjanleiki: Sérhver hluti verður að rekja til einstaks bræðsluhitanúmers. Að blanda hita án skjala er ekki-samkvæmt í kjarnorkubirgðakeðjum.

Skoðun þriðju-aðila: Viðurkenndur kjarnorkueftirlitsmaður (ANI) eða viðurkenndur þriðji aðili verður að verða vitni að og votta lykilprófanir í verksmiðjunni. Kröfur vitnispunkts (W) og biðpunkts (H) eru skilgreindar í innkaupapöntuninni.

Jákvætt efnisauðkenning (PMI): Á-stað XRF eða OES sannprófun á því að móttekið málmblöndu passi við pöntuð málmblöndur er skylda til öryggis-flokkaðra íhluta.

Fölsuð og sviksamleg hlutir (CFSI): Kjarnorkuöflun verður að innihalda forvarnarráðstafanir CFSI samkvæmt NRC ÁRIÐ 2012-10. Aflaðu aðeins frá viðurkenndum birgjum með skjalfestan samþykktan birgjalista (ASL).

Niðurstaða

Kjarnorkuver krefjast málmblöndur sem fara langt út fyrir staðlaðar iðnaðargráður. Alloy 690TT er viðmið fyrir slöngur gufugjafa einmitt vegna þess að það leysir PWSCC vandamálið sem plagaði Alloy 600 í áratugi. Alloy 625 og Alloy 718 skila þeim styrk og geislunarþoli sem þarf fyrir innra kjarna og há-spennufestingar. Austenitískt ryðfrítt stál -, sérstaklega 316LN, 304L, og stöðugar einkunnir 321 og 347 - mynda burðarás í kælivökvanum, innilokunar- og varmaskiptakerfum.

Það sem sameinar öll þessi efni er ströng hæfni: efnafræði, vélrænar prófanir, rekjanleiki hita, samræmi við kóða og óháð eftirlit. Í kjarnorku er pappírsvinnan ekki skrifræði - heldur verkfræðileg heilindi. Að velja viðurkenndan birgi með sannað kjarnorkugæðaáætlun er ekki val; það er krafa.