Kichik modulli reaktorlar (SMR) va nikel qotishmalari: keyingi-avlod yadro uchun materiallar

Kichik modulli reaktorlar (SMR) oddiy bosimli suv reaktorlarining-kichiklashtirilgan versiyalari emas. Bir nechta ilg'or dizaynlar issiqroq ishlaydi, bosimli suv o'rniga turli sovutish suyuqliklari - geliy, suyuq natriy yoki erigan ftorid tuzi - va konstruktiv materiallarni zanglamaydigan po'lat uchun an'anaviy yadro{{5} bo'lgan harorat va korroziya konvertidan ancha oshib ketadigan xizmat muddati va ish davrlarini maqsad qiladi.

Nikel{0}}asosidagi qotishmalarmoddiy oila bu boʻshliqni yopish uchun eng yaxshi joylangan va ular allaqachon rivojlangan reaktor taʼminot zanjirida paydo boʻladi: yorugʻlik{0}}suv SMRlarida bugʻ generatori trubkasi, gaz{1}}sovutilgan konstruksiyalarda oraliq issiqlik almashtiruvchi material sifatida va tuzli soğutulan tushunchalarda-birlamchi halqa materiali sifatida. Ushbu qoʻllanmada nikel qotishmalari SMR uchun nima uchun muhimligi, qaysi navlar allaqachon ishlab chiqilayotganiga nisbatan kodli-va turli SMR texnologiyalari sinflarida material tanlash haqida qanday fikr yuritish kerakligi tushuntiriladi.

Kichik modulli reaktorlar nima va ularning materiallariga bo'lgan ehtiyoj an'anaviy reaktorlardan nima uchun farq qiladi?

SMRlar juda xilma-xil sovutish suvi va ish haroratiga ega bo'lgan bir nechta alohida reaktor sinflarini o'z ichiga oladi va aynan shu xilma-xillik - nafaqat kichikroq o'lchamdagi - nikel qotishmalarining rolini kengaytiradi.

"SMR" zavodda ishlab chiqarilgan, odatda 300 MVt dan kam bo'lgan modulli reaktorni ta'riflaydi, biroq bu atama bir nechta tubdan farqli texnologiyalarni qamrab oladi. Yengil{3}}suv SMRlari (masalan, NuScale dizayni va GE Hitachi'ning BWRX-300) an'anaviy yirik reaktorlar kabi bosimli yoki qaynoq suv sovutish suvi kimyosidan foydalanadi va shunga o'xshash harorat oralig'ida ishlaydi, shuning uchun ular o'rnatilgan yadroviy{{6}navbatdagi past {{7}quyma po'lat va barcha quyma po'latlarga tayanadi. bug 'generatori quvurlari kabi maxsus yuqori vazifali komponentlar uchun ajratilgan.

Yuqori{0}}haroratli gaz-sovutiladigan reaktorlar yoki HTGRlar (masalan, X{2}}energy's Xe-100) geliy sovutish suvi va TRISO zarracha yoqilg'idan foydalanadi va issiqlik samaradorligini oshirish va sanoat jarayonlarini issiqlik bilan ta'minlash uchun ancha yuqori chiqish haroratini maqsad qiladi. Natriy{6}}sovutiladigan tez reaktorlar (masalan, TerraPower’ning Natrium dizayni) o‘rtacha{7}}yuqori harorat va past bosimda-suyuq metall sovutish suvidan foydalanadi. Ftor{10}}tuz-sovutiladigan yuqori haroratli reaktorlar yoki FHRlar (masalan, Kairos Power kompaniyasining Hermes dizayni) erigan ftorid tuzini sovutish suvi sifatida qattiq TRISO shag‘al yoqilg‘isi atrofida aylantiradi, haqiqiy erigan tuz reaktorlari esa yoqilg‘ini to‘g‘ridan-to‘g‘ri aylanma tuzda eritadi. Ushbu sinflarning har biri o'zining strukturaviy materiallariga harorat, sovutish suvi kimyosi va neytron muhitining turli kombinatsiyasini joylashtiradi.

Jadval 1. Vakil SMR texnologiyasi sinflari, taxminiy ish harorati va namunaviy dizaynlar. Rasmlar tasvirlash uchun reaktor sinfi bo'yicha umumlashtiriladi; sotuvchining o'ziga xos dizaynlari farqlanadi va rasmiy spetsifikatsiyalar joriy sotuvchi va me'yoriy hujjatlar bilan tasdiqlanishi kerak.

Nima uchun ilg'or reaktorlarga standart zanglamaydigan po'lat o'rniga nikel qotishmalari kerak?

An'anaviy yadroviy ostenitik zanglamaydigan po'lat{0}}o'n yillik dizaynda ilg'or reaktorlar talab qiladigan xizmat muddati uchun taxminan 550-650 darajadan oshib ketish va oksidlanishga chidamliligini yo'qotadi va nikel qotishmalari foydalanish mumkin bo'lgan struktura xizmatini 700-950 darajagacha kengaytiradi.

ASME Qozon va bosimli idish kodeksiga muvofiq, III bo'lim, 5-bo'lim har bir ilg'or reaktor sovutish suvi turidagi yuqori-haroratli yadro komponentlarini qurishni boshqaradi. O'nlab yillar davomida ushbu xizmat uchun atigi beshta material mos edi: 2,25Cr-1Mo va vanadiy{10}}modifikatsiyalangan 9Cr-1Mo ferritli po'latlar, 304H va 316H turdagi ostenitik zanglamaydigan po'lat va yuqori{15}}austenitik austenitik austenitik{15}}nikel 08 nikel. Ulardan faqat Alloy 800H 760 gradus va undan yuqori haroratga yaqin bo'lgan haqiqiy yuqori haroratli dizayn uchun baholanadi.

Taxminan 550–650 darajadan yuqori boʻlganda, standart 304H/316H zanglamaydigan poʻlatning ruxsat etilgan konstruktiv kuchlanishi keskin pasayadi, chunki vaqtga bogʻliq boʻlgan emirilish deformatsiyasi - qisqa muddatli emas-oqimdorlik yoki valentlik kuchi - oksidsiz poʻlatlar va oksidsiz poʻlatlar ham boshqaruvchi rejimga aylanadi{4}} yuqori haroratli geliy yoki tuz muhitida-kamroq himoya qiladi. Alloy 617 kabi nikel qotishmalari ikkala muammoni ham hal qiladi: ularning yuqori nikel miqdori emirilish va karbonlashtiruvchi/oksidlovchi atmosferalarga chidamliligini yaxshilaydi, 2019 yil ASME kod holatida malakali dizayn haroratini taxminan 954 darajaga (1750 daraja F) oshiradi.

Qaysi nikel qotishmalari ilg'or reaktor qurilishi uchun malakali yoki baholanmoqda?

Qotishma 800H hozirda to'liq, uzoq muddatli ASME III bo'limi, 5-bo'lim malakasiga ega-yagona nikel asosidagi materialdir; Qotishma 617 ikkita maxsus kod qutisi orqali qo'shilgan, Alloy 690, Hastelloy N, GH3535 va Alloy 709 har biri rol o'ynaydi, lekin malaka yo'lining turli bosqichlarida o'tiradi.

2-jadval. Rivojlangan reaktor konstruksiyasiga tegishli boʻlgan nikel-va nikel{2}}qoʻshni qotishmalar, ularning taxminiy tarkibi va joriy AQSH kodi-kvalifikasion holati. Kod ishi raqamlari, harorat chegaralari va malaka holati har doim joriy ASME BPVC III bo'limi, 5-bo'lim nashri va amaldagi kod holatlari bilan tekshirilishi kerak.

Nikel qotishmalari eritilgan tuz reaktorlari muhitida qanday ishlaydi?

Hastelloy N va GH3535 kabi nikel{0}}molibden-xrom qotishmalari erigan ftorid tuzi korroziyasiga zanglamaydigan po'latdan ko'ra ancha yaxshi qarshilik ko'rsatadi, chunki ulardagi past xrom miqdori dominant korroziya yo'lini cheklaydi - xromning don chegaralarida qo'shilishi bilan birga yuqori -harorat kuchi.

FLiBe (litiy ftorid-beriliy ftorid) va FLiNaK (litiy-natriy-kaliy ftorid) kabi eritilgan ftorid tuzlari past neytronlarni singdirish, yuqori hajmli issiqlik sig'imi va past ish bosimi tufayli jozibali reaktor sovutish suvi hisoblanadi, ammo ular barcha tarkibiy qismlarga nisbatan kimyoviy jihatdan agressivdir. Dominant degradatsiya mexanizmi - bu umumiy sirt hujumi emas, balki tuzning oksidlanish-qaytarilish potentsiali tufayli xromning don chegaralaridan tuzga tanlab yuvilishi; bu g'ovakli, xrom{1}}yo'q bo'lgan er osti qatlamini qoldirishi va qo'llaniladigan stress ostida donalararo korroziyaga-yordamli yorilishga yordam berishi mumkin.

Hastelloy N 1950-60-yillarda Oak Ridj milliy laboratoriyasida{0}}maxsus erigan tuz reaktori eksperimenti uchun ushbu mexanizmga qarshilik koʻrsatish maqsadida ishlab chiqilgan va u - Xitoyning tarkibi jihatidan oʻxshash GH3535 bilan birga ushbu mamlakatning eritilgan toriy reaktorini qayta tekshirish dasturida qoʻllaniladi. ftorid-tuz-sovutiladigan reaktor tushunchalari uchun qotishma oilasi. Ushbu qotishmalar AQSHda ASME Section III, Division 5 kvalifikasiya yoʻlini hali tugatmaganligi sababli, yaqin muddatli FHR va MSR dizaynlarini izlayotgan ishlab chiquvchilar, odatda, umumiy litsenziyalash strategiyasining bir qismi sifatida uzoq{12}}korroziya va mexanik sinov maʼlumotlari bilan qoʻllab-quvvatlanadigan maxsus material kodli korpusni rejalashtiradilar.

Nikel qotishmalari geliy{0}}sovutilgan, yuqori{1}}haroratli gaz reaktorlarida qanday ishlaydi?

Qotishma 617 va Alloy 800H HTGR xizmati uchun etakchi nikel qotishmalari hisoblanadi, chunki ikkalasi ham geliyda barqaror, himoya xrom{2}}oksid qatlamini hosil qiladi va zanglamaydigan po'lat chegarasidan ancha yuqori foydali o'tish kuchini saqlaydi, biroq ikkalasi ham geliy kislotasi soviganida sekin karburizatsiya yoki dekarburizatsiyaga zaif bo'lib qoladi.

HTGRdagi geliy sovutish suvi hech qachon mukammal darajada toza bo'lmaydi - uglerod oksidi, vodorod, metan va namlikning iz darajalari yoqilg'i, grafit va tizimning gazdan chiqishidan qochib bo'lmaydi - va bu aralashmalar karburizatsiyani (uglerodni tortib olish, bu qotishmani mo'rtlashtiradi) yoki uglerod muvozanatini yo'qotishiga olib kelishi mumkin. harorat. Qotishma 800H ushbu muhitda, shu jumladan HTGRning dastlabki namoyish zavodlarida o'nlab yillik faoliyat tarixiga ega va ASME III bo'limi, 5-bo'lim malakali beshta asl materiallaridan biri bo'lib qolmoqda.

Qotishma 617 2000-yillarning oʻrtalaridan{2}}{3}}birlamchi geliy halqasidan issiqlikni ikkilamchi jarayonga oʻtkazuvchi komponent - oraliq issiqlik almashtirgich (IHX) uchun yetakchi nomzod sifatida keng tavsiflangan, chunki u qotishma 80-kvaronli qotishmaga qaraganda yuqoriroq harorat mustahkamligini birlashtiradi. ASME Code Case N-898 bilan yakunlandi, u malakali Alloy 617 konstruktsiyasini 954 darajaga (1750 daraja F) kengaytirdi.

Qotishma 690 yorug'lik{1}}suv-ga asoslangan SMRlarda qanday rol o'ynaydi?

Qotishma 690 1980-2000-yillardan boshlab yadro sanoatini o'zidan oldingi qotishma 600 dan uzoqlashtirgan ishlamay qolish rejimi bo'lgan birlamchi suv ta'sirida korroziya yorilishiga (PWSCC) yuqori chidamliligi tufayli yorug'lik{2}}suv SMR dizaynlari uchun standart bug 'generatori va issiqlik almashtirgich trubkasi materialidir.

NuScale dizayni va GE Hitachi BWRX-300 kabi engil{0}}suv SMRlari oʻz materiallarining koʻp qismini toʻgʻridan-toʻgʻri katta reaktor bosimli va qaynoq suv parkidan meros qilib oladi, shu jumladan nikel xromlar bilan aloqa qilgan joyda Alloy 690ga tayanadi. egilish yoki kengayish natijasida qoldiq stress ostida yuqori-tozalik, yuqori{10}}haroratli asosiy suv. Oldingi zavodlarda qoʻllanilgan 600 qotishmasi uzoq muddatli xizmat koʻrsatishda don chegaralarida PWSCC taʼsiriga sezgir boʻlib chiqdi, bu esa butun sanoat boʻylab qimmat bugʻ generatorlarini almashtirishga olib keldi.

Qotishma 690-ning sezilarli darajada yuqori xrom tarkibi bir xil suv kimyosi va stress sharoitida yanada barqaror, uzluksiz himoya oksidi plyonkasini ta'minlaydi, bu esa keyingi o'nlab yillar davomida ish tajribasida sezilarli darajada yaxshi yorilish qarshiligini beradi. Yengil suv SMRlari anʼanaviy PWR floti bilan bir xil harorat va suv-kimyoviy konvertida{2}}ishlaganligi sababli, qotishma 690 quvurlari HTGR va tuzli dizayndagi yangi yuqori{6}}harorat malakaviy ishini talab qilishdan koʻra, malakali, kod{5}}qabul qilingan material sifatida xizmat qiladi.

Nikel qotishmalari SMR xizmatida qarshilik ko'rsatishi kerak bo'lgan asosiy buzilish mexanizmlari qanday?

Dominant degradatsiya mexanizmi sovutish suvi bilan farqlanadi: singdirish va geliy{0}}ifoqli karburizatsiya gaz-sovutilgan konstruksiyalarni, xromni yuvish erigan tuzni-birlamchi suv ta'sirida korroziyani yoritish yorug'lik-suv konstruksiyalarini va radiatsiyani boshqaradi{4}} yuqori neytron oqimi holatida ishlatiladigan har qanday nikel qotishmasi uchun -kesish tashvishi.

Jadval 3. Nikel qotishmalarining asosiy buzilish mexanizmlari SMR sovutish suyuqligi sinflari bo'ylab qarshilik ko'rsatishi kerak va hozirgi amaliyotda qo'llaniladigan asosiy dizayn yoki metallurgiya yumshatishlari.

ASME III bo'limi, 5-bo'lim ilg'or reaktordan foydalanish uchun yangi materialni qanday saralaydi?

Yangi yadroviy strukturaviy material nomzoddan malakali maqomga oʻtadi, buning uchun moʻljallangan xizmat koʻrsatish harorati oraligʻida siqilish, choʻzilish va charchoqqa oid koʻp yillik maʼlumotlar toʻplami- talab qilinadigan rasmiy ASME kod-xoʻjalik jarayoni, tegishli ASME quyi qoʻmitasi tomonidan koʻrib chiqiladi va litsenziyaga ega boʻlish uchun foydalanish mumkin.

ASME III boʻlimi, 5-boʻlim natriyli sovutilgan reaktorlar uchun dastlab ishlab chiqilgan dizayn usullariga asoslanib, barcha ilgʻor reaktor sovutish suvi turlari uchun yuqori{1}}haroratli yadro qurilishi qoidalarini yagona boʻlim ostida birlashtirish uchun nashr etilgan. Qotishma 617 - uchun boʻlgani kabi yangi - materialni qoʻshish uchun material ishlab chiqaruvchisi yoki sanoat konsortsiumi moʻljallangan harorat oraligʻi boʻylab choʻzilish va oʻtish-yorilish xususiyatlarini, izoxron stress{7}}yuqori harorat va oʻzaro taʼsirlar, charchoq va yogʻ yorilish maʼlumotlari uchun egri chiziqlarni qamrab oluvchi A toifali dizayn maʼlumotlar paketini yigʻishni talab qiladi. Payvandlash qobiliyati to'g'risidagi ma'lumotlar, barchasi kodning "Yangi materiallar uchun dizayn ma'lumotlariga bo'lgan ehtiyoj bo'yicha yo'riqnoma" ga muvofiq ishlab chiqilgan.

ASME ning Qozon va bosimli idishlar qo'mitasi rasmiy kod ishini nashr etishdan oldin ushbu paketni ko'rib chiqdi va ovoz berdi; Alloy 617 kodli holatlar xarakteristikalar uchun taxminan o'n yil davom etdi, ammo ASME o'shandan beri olingan saboqlar asosida keyingi materiallarni ko'rib chiqish tsiklini soddalashtirdi. Bu jarayon Hastelloy N kabi ba'zi strukturaviy istiqbolli nikel qotishmalarining korroziya va mexanik xatti-harakatlari o'nlab yillar davomida o'rganilgan bo'lsa ham, AQSh litsenziyasiga ega qurilish uchun malakali materiallar emas, balki nomzod bo'lib qolishining asosiy sababidir.

Murakkab reaktor komponentingiz uchun qaysi nikel qotishmasini belgilashingiz kerak?

Qotishmani boshqaruvchi sovutish suvi kimyosi va ma'lum komponentning haroratiga moslang, umuman reaktor sinfiga emas, chunki bitta SMR dizayni uning asosiy va ikkilamchi tizimlarida bir nechta turli xil ish muhitlarini o'z ichiga olishi mumkin.

4-jadval. SMR sovutish suyuqligi muhiti boʻyicha komponent-darajadagi nikel qotishmasini tanlash boʻyicha koʻrsatmalar. Yakuniy material tanlash reaktor sotuvchisi tomonidan tasdiqlangan dizayn va litsenziyalash asosida qo'llaniladigan ASME kodi nashri/kod holatlari bilan tasdiqlanishi kerak.

SMRni joriy etishning hozirgi holati qanday va bu materiallar ta'minot zanjiri uchun nima uchun muhim?

2026 yilga kelib, Qo'shma Shtatlar o'n yilliklar ichida birinchi marta qog'oz dizayndan faol qurilishga o'tdi va bu o'zgarish yadroviy nikel qotishma plitalari, naychalari va zarb buyumlariga-yaqin vaqtga yaqin talabni yaratishga kirishdi.

TerraPower 2026-yilning mart oyida AQSh Yadroni tartibga solish komissiyasi tomonidan berilgan birinchi{2}}yengil{3}}suv quvvati tijoriy reaktorini qurish uchun ruxsatnoma oldi va oradan ko‘p o‘tmay Kemmerer, Vayomingdagi natriy sovutgichli Natrium zavodiga asos soldi. NuScale Power kompaniyasining takomillashtirilgan SMR dizayni NRC tomonidan tasdiqlandi va kommunal xizmatlar, shu jumladan Tennessi vodiysi ma'muriyati ko'p-gigavattli SMR o'rnatish dasturlarini ishga tushirdi.

X-energy geliy-sovutilgan Xe-100 kompaniyasi Texasdagi sayt uchun NRC tekshiruvi orqali rivojlanmoqda va Kairos Power Tennessi shtatida ketma-ket ftor{4}}tuz bilan sovutilgan sinov qurilmalarini qurishda davom etmoqda. Yirik texnologiya kompaniyalari AI ma'lumotlar markazining o'sishiga yordam berish uchun o'n gigavattdan ortiq ilg'or yadroviy quvvatni alohida imzoladilar, bu sanoat uchun yangi bo'lgan xususiy majburiyat ko'lami.

Qotishma va butlovchi qismlar yetkazib beruvchilar uchun bu ushbu qo‘llanmada muhokama qilingan nikel qotishma sinflari - Qotishma 690, Qotishma 617, Qotishma 800H va erigan{4}}tuzga-bardoshli Hastelloy N oilasi - asosan akademik va milliy{7}}sinov dasturlari laboratoriyasiga o‘tayotganini anglatadi. Tegirmon sinov hisoboti kuzatilishi va kodga muvofiqligi-bir-turdagi-birinchi-tijoriy xaridlar kelgusida ko'rib chiqiladigan narsa emas, balki yaqin{12}}sotib olish talabiga aylanadi.

Tez-tez so'raladigan savollar

Q: SMR komponentlarida standart 316 zanglamaydigan po'latdan foydalanish mumkinmi?

A: Ha, pastroq{0}}haroratli komponentlar uchun. 304H va 316H turlari ASME III boʻlimi, 5-boʻlim materiallari boʻyicha malakali boʻlib qoladi va xizmat koʻrsatish harorati ruxsat etilgan -stress diapazoni - ichida boʻlsa, dizayn muddati va yuklanishiga qarab, odatda, taxminan 550–650 darajagacha boʻlgan joyda ilgʻor reaktor konstruksiyalarida qoʻllaniladi. Bu diapazondan yuqori boʻlsa, ularning emirilish kuchi koʻp{10}}oʻn yillik dizayn muddati uchun juda tez pasayadi, bunda Alloy 617 va Alloy 800H egallaydi.

Q: Yadroviy nikel qotishma{0}} eng yuqori harorat qanchaga bardosh bera oladi?

A: Joriy ASME bo'limi III, 5-bo'lim kod holatlariga ko'ra, Alloy 617 954 daraja (1750 daraja F) gacha bo'lgan qurilish uchun mos keladi, bu hozirda kodlangan har qanday materialning eng yuqori harorat chegarasi-AQSh yadroviy qurilishi uchun mos. Haqiqiy komponentning dizayn harorati faqat qotishmaning maksimal kod chegarasi bilan emas, balki maxsus reaktor dizayni-asosiy tahlili bilan belgilanadi.

Q: Nima uchun Hastelloy N litsenziyaga ega AQSh tijorat reaktorida hali ishlatilmaydi?

A: Uning ishlashi shubhali - boʻlgani uchun emas, balki u 1960-yillardagi Eritilgan tuz reaktori eksperimenti -gacha boʻlgan oʻn yillik sinov va cheklangan operatsion maʼlumotlariga ega boʻlgani uchun emas, balki Amerika Qoʻshma Shtatlarida litsenziyalangan tijorat qurilishi uchun zarur boʻlgan ASME III-boʻlimi, 5-boʻlim material malakasini aniqlash jarayonini hali tugatmagani uchun. Eritilgan{5}}tuz yoki ftor-tuz-sovutilgan dizaynlarni yaratmoqchi boʻlgan ishlab chiquvchilar litsenziyalash yoʻlining bir qismi sifatida maxsus kod ishini qoʻllashlari kutiladi.

Q: SMR bug 'generatorlarida ishlatiladigan Alloy 690 katta PWRlarda ishlatiladigan Alloy 690 dan farq qiladimi?

A: Yoʻq. Yengil{1}}suv SMR konstruksiyalari odatda anʼanaviy bosimli suv reaktorlari parki uchun oʻrnatilgan bir xil ASME-malakali Alloy 690 material spetsifikatsiyalariga asoslanadi, chunki ikkalasi ham birlamchi suv kimyosi va harorat oraligʻida ishlaydi. Qotishmaning o'zi ushbu ilova uchun yangi yuqori{6}}harorat malakasini talab qilmaydi.

Q: ASME yadroviy kodiga yangi material kiritish uchun odatda qancha vaqt ketadi?

A: Tarixan, o'n yil ichida birinchi{0}}{1}}o'zining{2}}yuqori{3}}haroratli materiali - uchun Alloy 617 kodli korpuslari dastlabki tavsifdan nashrga qadar taxminan shuncha vaqtni oladi. O'shandan beri ASME o'z ko'rib chiqish ish jarayonini shu sa'y-harakatlardan olingan saboqlar asosida soddalashtirdi, biroq talab qilinadigan siljish, charchoq va payvandlanishga oid ma'lumotlar paketini yig'ish har qanday yangi nomzod material uchun tezlikni cheklovchi qadam bo'lib qolmoqda.