Вимоги до сплаву для атомної електростанції: що вам потрібно знати

вступ

Атомна електростанція є одним із найбільш вимогливих матеріальних середовищ на Землі. Сплави, які використовуються всередині реактора, повинні водночас витримувати надзвичайну температуру, інтенсивне випромінювання, високий{1}}тиск води або пари та невпинну загрозу корозії - часто протягом 60 років або більше без заміни. Отримайте неправильний матеріал, і наслідки варіюються від дорогих незапланованих зупинок до, у гіршому випадку, радіоактивного забруднення.

У цьому посібнику пояснюється, які марки нержавіючої сталі та нікелевих сплавів використовуються на атомних електростанціях, чому було обрано кожну з них і які міжнародні стандарти регулюють їх використання. Незалежно від того, чи є ви інженером, який визначає матеріали для нової конструкції, професіоналом із закупівель, який займається закупівлею бруків і плит, чи просто людиною, якій цікаво дізнатися, як довговічні атомні станції, ця стаття надасть вам необхідні факти.

Поясніть ядерні матеріали

Компоненти атомної станції стикаються з чотирма одночасними загрозами, з якими жоден звичайний метал не може впоратися окремо:

Висока температура:Охолоджувач першого контуру в реакторі з водою під тиском (PWR) працює приблизно при 315–343 градусах і тиску 155 бар. Реактори з киплячою водою (BWR) працюють при температурі близько 285 градусів і тиску 75 бар.

Висока радіація:Швидкі нейтрони та гамма-промені спричиняють зміщення атомів у металах, що призводить до розбухання, крихкості та зміни механічних властивостей з часом - явище, яке називається радіаційним пошкодженням або радіаційною крихкістю.

Корозія:Гаряча-чиста вода з розчиненим воднем (PWR) або насичена киснем вода (BWR) створює високоагресивне електрохімічне середовище, особливо небезпечне для сплавів, чутливих до корозійного розтріскування під напругою (SCC).

Тривалий термін служби:Атомні станції ліцензуються на 40–60 років, із-програмами продовження терміну експлуатації компонентів до 80 років. Матеріали повинні зберігати властивості протягом усього терміну експлуатації.

Аустенітні нержавіючі сталі та суперсплави на основі-нікелю є вирішенням цієї проблеми. Їх гране{2}}кубічні (FCC) кристалічні структури протистоять радіаційній крихкості, високий вміст хрому утворює самовідновлюваний оксидний шар проти корозії, а підвищений вміст нікелю забезпечує виняткову міцність у всьому діапазоні робочих температур.

Нікелеві сплави на атомних електростанціях

Якщо є один сплав, який визначає сучасний дизайн PWR, то це сплав 690 (UNS N06690). З номінальним складом 58 % нікелю, 29 % хрому та 9 % заліза, сплав 690 був розроблений спеціально для заміни старішого сплаву 600, який виявився чутливим до первинного корозійного розтріскування під впливом води (PWSCC) після років експлуатації - проблема, яка призвела до надзвичайно дорогих ремонтів на підприємствах по всьому світу.

Позначення "TT" означає термічно оброблену, контрольовану термічну обробку, яка виділяє карбіди хрому на межах зерен. Ця мікроструктурна модифікація практично усуває сприйнятливість PWSCC. Сьогодні кожен новий парогенератор PWR, створений у всьому світі - від AP1000 у Китаї та Сполучених Штатах до EPR у Франції та Сполученому Королівстві - специфікує трубки зі сплаву 690TT відповідно до стандарту ASME SB-163, зазвичай із зовнішнім діаметром 19,05 мм із товщиною стінки 1,07 мм. Один великий парогенератор містить приблизно 10 000 труб, кожна довжиною до 21 метра.

Сплав 625забезпечує потужне поєднання властивостей для ядерної служби: більше або дорівнює 58 % нікелю, 20–23 % хрому та 8–10 % молібдену. Його міцність на розрив у відпаленому стані перевищує 830 МПа, і він зберігає чудову міцність після нейтронного опромінення. Ці характеристики роблять сплав 625 обраним матеріалом для внутрішніх частин активної зони реактора, оболонки сопел корпусу реактора під тиском і структурних компонентів усередині корпусу реактора, де не уникнути радіаційного опромінення та контакту з корозійним охолоджувачем. Він відповідає ASME SB-443 (плита) і ASME SB-446 (брусок).

Сплав 718 це дисперсійний-нікелевий-хромовий сплав із межею міцності на розрив понад 1380 МПа в стані-загартування віком - серед усіх доступних корозійностійких-сплавів. На атомних станціях він використовується для високо-кріпильних елементів, притискних пружин і внутрішніх елементів реактора, які мають зберігати точні механічні розміри протягом десятиліть. Його стійкість до розслаблення (поступова втрата затискної сили під дією тривалого навантаження при високій температурі) є критичною для болтових з’єднань у системах теплоносія реактора. Він відповідає ASME SB-637 і ASTM B637.

Сплав 600(UNS N06600), із вмістом більше або рівним 72 % нікелю та 14–17 % хрому, був галузевим стандартом для трубок парогенератора PWR з 1960-х по 1980-ті роки. Однак польовий досвід показав, що в стані -відпаленого стану сплав 600 сприйнятливий до PWSCC у високій{9}}температурі первинної води - корозійного механізму, який поширює тріщини між зернами під дією напруги розтягу.

Протягом кількох десятиліть промисловість витратила понад 20 мільярдів доларів США на заміну компонентів зі сплаву 600. Сплав 600 залишається в експлуатації на деяких старих заводах, але більше не призначений для нового будівництва. Розуміння цієї історії є важливим контекстом для того, щоб зрозуміти, чому Alloy 690TT домінує в сучасних специфікаціях.

Марки нержавіючої сталі в ядерній службі

Сорт 316L(UNS S31603) і його-покращений азотом варіант 316LN є робочими конячками трубопроводів ядерної системи теплоносія. Специфікації з низьким-вуглецем (менше або дорівнює 0,03 % C) запобігають сенсибілізації під час зварювання, зберігаючи стійкість до корозії в зонах термічного-впливу. Додавання азоту в 316LN (0,10–0,16 % N) компенсує зниження міцності, спричинене низьким вмістом вуглецю, досягаючи мінімум 0,2 % міцності на 205 МПа -, що є важливою вимогою, оскільки ядерні труби повинні відповідати суворим стандартам цілісності границі тиску відповідно до розділу III ASME, NB клас 1.

Трубопровід великого-діаметра 316LN, відкований відповідно до ASME SA-182 або ASME SA-376, утворює первинний контур теплоносія в PWR - контур, який забезпечує циркуляцію гарячої води між корпусом реактора та парогенераторами. Це труба,-важлива для безпеки: помилкою є визначення аварії через втрату теплоносія (LOCA), початкової події в плануванні ядерних надзвичайних ситуацій.

Сорт 304L(UNS S30403) є стандартним матеріалом для ядерної оболонки, басейнів для відпрацьованого палива, заправних каналів і-великих резервуарів для зберігання. Його зварюваність є надзвичайною, а низький-вуглецевий вміст усуває ризик сенсибілізації на тисячах метрів зварних швів у великій захисній конструкції. Плита та лист постачаються відповідно до ASME SA-240; труби та трубки відповідно до ASME SA-312.

321 клас(титан-стабілізований) і 347 (ніобій-стабілізований) призначені для компонентів, які зазнають термічного циклу - багаторазового нагрівання й охолодження -, таких як теплообмінники, проміжні контури охолодження та певні системи трубопроводів. Стабілізуючі елементи хімічно зв'язують вуглець, запобігаючи випаданню карбіду хрому навіть після тривалого часу при температурах у діапазоні сенсибілізації (425–850 градусів). Обидва сорти відповідають стандартам ASME SA-240 (плита) і SA-182 (поковки).

Цирконієві сплави - Оболонка палива

Жодне обговорення ядерних матеріалів не обходиться без згадки цирконієвих сплавів. Циркалой-4 і Zr-2,5Nb мають поперечний переріз поглинання теплових нейтронів-лише 0,18 барна – приблизно в 40 разів нижчий, ніж у нержавіючої сталі, що робить їх практично прозорими для нейтронів, необхідних для підтримки ланцюгової реакції. Паливні гранули поміщені в оболонку з цирконієвих сплавів (зазвичай зовнішній діаметр 9,5 мм, стінка 0,57 мм), які утворюють перший бар’єр між радіоактивним паливом і теплоносієм. У той час як цирконієві сплави виходять за межі асортименту нержавіючої сталі та нікелевих сплавів, їхня роль пояснює, чому нержавіюча сталь обмежена конструкційним застосуванням за межами самої паливної збірки.

Вимоги до ядерного сплаву: коротка довідкова таблиця

У наведеній нижче таблиці наведено зведену довідкову інформацію для інженерів і команд із закупівель, які визначають сплави для атомних електростанцій.

Таблиця 1: Основні сплави та марки нержавіючої сталі, що використовуються на атомних електростанціях, із відповідними стандартами. *Сплав 600 зберігається на деяких заводах у спадок; не вказано для нового будівництва. Циркалой наведено лише для довідки.

Ядерні кодекси та стандарти: що регулює кваліфікацію матеріалів

Ядерні матеріали є одними з найбільш суворо регламентованих у будь-якій галузі. Матеріал не може просто відповідати своїм хімічним і механічним специфікаціям - він має бути простежуваним, перевіреним, задокументованим і кваліфікованим відповідно до програми забезпечення якості. Основні керівні рамки:

ASME Boiler and Pressure Vessel Code (BPVC) Розділ III: Основний код для ядерних посудин під тиском, трубопроводів, насосів і клапанів у Сполучених Штатах і багатьох міжнародних ринках. Матеріали мають відображатися в затверджених таблицях матеріалів (наприклад, випадок коду N-60 для сплаву 690).

RCC-M (Ядерний кодекс Франції): французький еквівалент, обов’язковий для реакторів EPR і широко відомий у всьому світі. RCC-M M4105 охоплює трубки зі сплаву 690TT.

ASME NQA-1: Вимоги до забезпечення якості ядерних установок. Кожен сертифікат на матеріал, запис про термічну обробку та звіт про випробування повинні бути простежені до унікального номера нагрівання.

10 CFR 50 Appendix B (US NRC): Критерії Комісії з ядерного регулювання США щодо забезпечення якості для атомних електростанцій, що застосовуються до всіх матеріалів,-що стосуються безпеки.

Стандарти безпеки МАГАТЕ (SSR-2/1): вимоги Міжнародного агентства з атомної енергії щодо проектування атомних електростанцій, на які посилаються регулюючі органи в понад 40 країнах.

На практиці це означає, що сертифікат прокатного випробування (MTC) для труб ядерного-класу зі сплаву 690 може складатися з 10 або більше сторінок, документуючи хімічні характеристики (термічний аналіз і аналіз продукту), властивості розтягування при кімнатній і високій температурі, твердість, корозійні випробування, перевірку розмірів і результати не-руйнівного дослідження -, підписані уповноваженим інспектором.

На що звертати увагу під час пошуку сплавів ядерного-класу

Команди із закупівель, які вибирають нержавіючу сталь або нікелеві сплави для ядерної служби, повинні перевірити наступне перед видачею замовлення на закупівлю:

Ядерна кваліфікація: підтвердьте, що матеріал схвалено відповідно до застосовного коду (ASME III, RCC-M, JSME або KEPIC) і що на заводі діє необхідна програма ядерної якості (NQA-1 або еквівалент).

Відстеження тепла: кожен шматок повинен відстежуватися до унікального числа теплоти плавлення. Змішування тепла без документації є-невідповідним у ланцюгах ядерного постачання.

Перевірка-третьою стороною: уповноважений ядерний інспектор (ANI) або затверджена третя сторона має бути свідком і сертифікувати ключові випробування на заводі. Вимоги до точки спостереження (W) і точки утримання (H) визначені в замовленні на придбання.

Позитивна ідентифікація матеріалу (PMI): -перевірка XRF або OES на місці, що отриманий сплав відповідає замовленому сплаву, є обов’язковою для-класифікованих компонентів безпеки.

Підроблені та шахрайські товари (CFSI): ядерні закупівлі повинні включати заходи запобігання CFSI відповідно до NRC IN 2012-10. Закуповуйте лише у затверджених постачальників із задокументованим списком затверджених постачальників (ASL).

Висновок

Атомні електростанції вимагають сплавів, які виходять далеко за стандартні промислові якості. Alloy 690TT є еталоном для трубок парогенераторів саме тому, що він вирішує проблему PWSCC, яка мучила Alloy 600 протягом десятиліть. Сплав 625 і сплав 718 забезпечують міцність і стійкість до випромінювання, необхідні для внутрішніх частин серцевини та кріплень із високим-напруженням. Аустенітні нержавіючі сталі -, зокрема 316LN, 304L і стабілізовані марки 321 і 347 -, складають основу трубопроводів охолоджуючої рідини, систем утримання та теплообміну.

Що об’єднує всі ці матеріали, так це сувора кваліфікація: хімія, механічні випробування, відстеження тепла, відповідність нормам і незалежна перевірка. У ядерній енергетиці паперова тяганина — це не бюрократія -, це інженерна цілісність. Вибір кваліфікованого постачальника з перевіреною програмою ядерної якості не є перевагою; це вимога.