الزامات آلیاژ نیروگاه هسته ای: آنچه باید بدانید

یک نیروگاه هسته ای یکی از سخت ترین محیط های مادی روی زمین است. آلیاژهای مورد استفاده در داخل یک راکتور باید به طور همزمان گرمای شدید، تشعشعات شدید، فشار بالا{1}آب یا بخار و خطر بی امان خوردگی - را اغلب به مدت 60 سال یا بیشتر بدون تعویض تحمل کنند. مطالب را اشتباه دریافت کنید، و عواقب آن از خاموشی های پرهزینه بدون برنامه ریزی تا، در بدترین حالت، آلودگی رادیواکتیو متغیر است.

Nuclear Power Plant Alloy Requirements

این راهنما توضیح می‌دهد که کدام گریدهای فولاد ضد زنگ و آلیاژ نیکل در نیروگاه‌های هسته‌ای استفاده می‌شوند، چرا هر کدام انتخاب شده‌اند و چه استانداردهای بین‌المللی بر استفاده از آنها حاکم است. خواه شما یک مهندس هستید که مواد را برای یک ساختمان جدید مشخص می کند، یک میله و بشقاب منبع یابی حرفه ای تهیه می کند، یا صرفاً فردی کنجکاو هستید که چگونه نیروگاه های هسته ای برای دوام ساخته شده اند، این مقاله حقایق مورد نیاز را در اختیار شما قرار می دهد.

اجزای نیروگاه هسته ای با چهار تهدید همزمان روبرو هستند که هیچ فلز معمولی به تنهایی قادر به مقابله با آنها نیست:

دمای بالا:خنک کننده اولیه در یک راکتور آب تحت فشار (PWR) در حدود 315-343 درجه در 155 بار کار می کند. راکتورهای آب جوش (BWR) در حدود 285 درجه در 75 بار کار می کنند.

تابش زیاد:نوترون های سریع و پرتوهای گاما باعث جابجایی اتمی در فلزات می شوند که منجر به تورم، شکنندگی و تغییر در خواص مکانیکی در طول زمان می شود - پدیده ای به نام آسیب ناشی از تشعشع یا تردی ناشی از تابش.

خوردگی:آب داغ و با خلوص بالا با هیدروژن محلول (PWR) یا آب اکسیژنه (BWRs) یک محیط الکتروشیمیایی بسیار تهاجمی ایجاد می‌کند، به ویژه برای آلیاژهای حساس به ترک خوردگی ناشی از تنش (SCC).

عمر طولانی:نیروگاه‌های هسته‌ای برای 40 تا 60 سال مجوز دارند، با برنامه‌های تمدید عمر-قطعات را تا 80 سال افزایش می‌دهد. مواد باید خواص خود را در تمام طول عمر حفظ کنند.

فولادهای زنگ نزن آستنیتی و سوپرآلیاژهای مبتنی بر نیکل{0}}راه حل این چالش هستند. ساختارهای کریستالی مکعبی (FCC) صورت آنها در برابر شکنندگی تشعشع مقاومت می کند، محتوای کروم بالای آنها یک لایه اکسید خود{3}}در برابر خوردگی ایجاد می کند، و محتوای نیکل بالا آنها چقرمگی فوق العاده ای را در محدوده دمای عملیاتی کامل ارائه می دهد.

آلیاژ 690 / 690TT - استاندارد مولد بخار

اگر یک آلیاژ وجود داشته باشد که طراحی مدرن PWR را تعریف کند، آن آلیاژ 690 (UNS N06690) است. آلیاژ 690 با ترکیب اسمی 58 درصد نیکل، 29 درصد کروم و 9 درصد آهن، به طور خاص برای جایگزینی آلیاژ قدیمی‌تر 600 ساخته شد که پس از سال‌ها خدمت، در معرض ترک خوردگی ناشی از تنش آب اولیه (PWSCC) قرار گرفت - مشکلی که منجر به تعمیرات بسیار گران قیمت در کارخانه شد.

نام "TT" مخفف عبارت "Thermally treated" است، یک عملیات حرارتی کنترل شده که کاربیدهای کروم را در مرز دانه ها رسوب می دهد. این اصلاح ریزساختاری عملاً حساسیت PWSCC را از بین می برد. امروزه، هر ژنراتور بخار PWR جدیدی که در سطح جهانی ساخته می‌شود - از AP1000 در چین و ایالات متحده تا EPR در فرانسه و بریتانیا - لوله‌های آلیاژی 690TT را برای هر ASME SB-163 مشخص می‌کند، معمولاً در 19.05 میلی‌متر OD با ضخامت دیواره 1.07 میلی‌متر. یک مولد بخار بزرگ شامل تقریباً 10000 لوله است که طول هر کدام به 21 متر می رسد.

آلیاژ 625 (UNS N06625) - استحکام و پایداری تشعشع

آلیاژ 625ترکیب قدرتمندی از خواص را برای سرویس هسته ای به ارمغان می آورد: بیشتر یا برابر با 58٪ نیکل، 20-23٪ کروم، و 8-10٪ مولیبدن. استحکام کششی آن در شرایط آنیل شده بیش از 830 مگاپاسکال است و پس از تابش نوترون چقرمگی عالی را حفظ می کند. این ویژگی ها آلیاژ 625 را به ماده انتخابی برای قسمت های داخلی هسته راکتور، پوشش نازل های مخزن تحت فشار راکتور و اجزای ساختاری داخل مخزن راکتور تبدیل می کند، جایی که هم قرار گرفتن در معرض تشعشع و هم تماس با مایع خنک کننده خورنده اجتناب ناپذیر است. به ASME SB-443 (صفحه) و ASME SB-446 (نوار) مشخص شده است.

آلیاژ 718 (UNS N07718) - اتصال دهنده ها و اجزای استرس بالا-

آلیاژ 718 آلیاژی است-نیکل سخت شده{1}}کروم با استحکام کششی نهایی بیش از 1380 مگاپاسکال در سن-شرایط سخت شده - در میان بالاترین آلیاژهای مقاوم در برابر خوردگی- موجود. در نیروگاه‌های هسته‌ای، برای بست‌های با استحکام بالا، فنرهای نگهدارنده، و قطعات داخلی راکتور که باید ابعاد مکانیکی دقیقی را در طول دهه‌ها حفظ کنند، استفاده می‌شود. مقاومت آن در برابر شل شدن (از دست دادن تدریجی نیروی گیره تحت بار پایدار در دمای بالا) برای اتصالات پیچی در سیستم های خنک کننده راکتور بسیار مهم است. مطابق با ASME SB-637 و ASTM B637 است.

یادداشتی در مورد آلیاژ 600 - درس علوم مواد

آلیاژ 600(UNS N06600)، با بیشتر یا مساوی 72 درصد نیکل و 14 تا 17 درصد کروم، استاندارد صنعتی برای لوله‌های ژنراتور بخار PWR از دهه 1960 تا 1980 بود. با این حال، تجربه میدانی نشان داد که در شرایط بازپخت شده، آلیاژ 600 به PWSCC در-آب اولیه با دمای بالا- حساس است، مکانیزم خوردگی که ترک‌ها را به صورت بین دانه‌ای تحت تنش کششی منتشر می‌کند.

این صنعت بیش از 20 میلیارد دلار برای جایگزینی اجزای آلیاژ 600 طی چندین دهه هزینه کرده است. آلیاژ 600 در برخی از کارخانه های قدیمی در خدمت باقی می ماند اما دیگر برای ساخت و ساز جدید مشخص نشده است. درک این تاریخچه زمینه ای ضروری برای درک این موضوع است که چرا آلیاژ 690TT بر مشخصات مدرن تسلط دارد.

Stainless Steel Grades in Nuclear Service

لوله کشی خنک کننده راکتور 316L و 316LN -

درجه 316 لیتر(UNS S31603) و نوع تقویت‌شده نیتروژن- آن 316LN، نیروی کار لوله‌کشی سیستم خنک‌کننده هسته‌ای هستند. مشخصات کربن پایین (کمتر یا مساوی 0.03 % C) از ایجاد حساسیت در حین جوشکاری جلوگیری می کند و مقاومت در برابر خوردگی را در مناطق تحت تأثیر حرارت حفظ می کند. افزودن نیتروژن در 316LN (0.10-0.16 % N) کاهش استحکام ناشی از کربن کم را جبران می‌کند و به حداقل 0.2 درصد استحکام ضد 205 مگاپاسکال - نیاز دارد، زیرا لوله‌کشی هسته‌ای باید مطابق با استانداردهای یکپارچگی مرز فشار تحت ASME بخش III، NB باشد.

لوله‌کشی بزرگ-قطر 316LN، فورج شده به ASME SA{4}}182 یا ASME SA-376، حلقه خنک‌کننده اولیه را در PWR‌ها تشکیل می‌دهد - حلقه‌ای که آب گرم را بین مخزن تحت فشار راکتور و مولدهای بخار به گردش در می‌آورد. این یک لوله{8}}ایمنی حیاتی است: یک شکست در اینجا تعریف حادثه از دست دادن مایع خنک کننده (LOCA) است، که رویداد آغازین در برنامه ریزی اضطراری هسته ای است.

304L - ساختارهای مهار و ذخیره سازی

درجه 304 لیتر(UNS S30403) ماده استاندارد برای آسترهای مهار هسته‌ای، استخرهای سوخت مصرف‌شده، کانال‌های سوخت‌گیری و مخازن ذخیره‌سازی بزرگ-است. جوش‌پذیری آن فوق‌العاده است و درجه کربن پایین، خطر حساسیت در هزاران متر درز جوش را در یک ساختار محفظه بزرگ از بین می‌برد. صفحه و ورق به ASME SA-240 عرضه می شود. لوله و لوله به ASME SA-312.

321 و 347 - درجات تثبیت شده برای خدمات دوچرخه‌سواری حرارتی

کلاس 321(تیتانیوم-تثبیت شده) و 347 (نیوبیم-تثبیت شده) برای اجزایی که تحت چرخه حرارتی - گرمایش و سرمایش مکرر - مانند مبدل‌های حرارتی، حلقه‌های خنک‌کننده میانی، و سیستم‌های لوله‌کشی خاص قرار دارند، مشخص شده‌اند. عناصر تثبیت کننده کربن را از نظر شیمیایی متصل می کنند و از بارش کاربید کروم حتی پس از مدت زمان طولانی در دماهای در محدوده حساسیت (425-850 درجه) جلوگیری می کنند. هر دو گرید مطابق با ASME SA-240 (صفحه) و SA-182 (فرجینگ) هستند.

هیچ بحثی در مورد مواد هسته ای بدون ذکر آلیاژهای زیرکونیوم کامل نمی شود. Zircaloy-4 و Zr-2.5Nb دارای مقطع جذب نوترون حرارتی-تنها 0.18 انبار هستند - تقریباً 40 برابر کمتر از فولاد ضد زنگ - که اساساً آنها را نسبت به نوترون‌های مورد نیاز برای حفظ واکنش زنجیره‌ای شفاف می‌کند. گلوله های سوخت در لوله های روکش آلیاژ زیرکونیوم (معمولاً 9.5 میلی متر OD، 0.57 میلی متر دیوار) محصور شده اند که اولین مانع بین سوخت رادیواکتیو و خنک کننده را تشکیل می دهند. در حالی که آلیاژهای زیرکونیوم خارج از محدوده محصولات فولاد ضد زنگ و آلیاژ نیکل قرار دارند، نقش آنها توضیح می دهد که چرا فولاد ضد زنگ به کاربردهای ساختاری خارج از مجموعه سوخت محدود می شود.

جدول زیر یک مرجع تلفیقی برای مهندسان و تیم های تدارکاتی است که آلیاژها را برای کاربردهای نیروگاه هسته ای مشخص می کنند.

آلیاژ / درجه	منطقه گیاهی	حداکثر دما	ویژگی کلید	استاندارد اولیه
آلیاژ 690 / 690 TT	لوله مولد بخار	~343 درجه	PWSCC ایمنی؛ تفکیک نیکل کم	ASME SB-163 / RCC-M
آلیاژ 625 (N06625)	قطعات داخلی هسته، روکش فلزی	~650 درجه	استحکام بالا + پایداری تشعشع	ASME SB-443 / SB-446
آلیاژ 718 (N07718)	بست، فنر	~650 درجه	بارش-سخت شد. UTS بالا	ASME SB-637 / ASTM B637
316L / 316LN SS	لوله کشی خنک کننده راکتور	~350 درجه	C پایین؛ N برای استحکام کنترل می شود	ASME SA-376 / SA-182
فولاد ضد زنگ 304 لیتر	مهار، مخازن	~300 درجه	آستنیتی، کربن کم، قابل جوش	ASME SA-240 / SA-312
321 / 347 SS	مبدل های حرارتی، لوله کشی	~400 درجه	تثبیت شده؛ در برابر حساسیت مقاومت می کند	ASME SA-240 / SA-182
آلیاژ 600 (N06600)	نازل های قدیمی PWR	~343 درجه	Ni-کروم بالا؛ PWSCC-مستعد*	ASME SB-166 / SB-168
Zircaloy-4 / Zr-2.5Nb	روکش سوخت، کانال ها	~350 درجه	جذب نوترون بسیار کم	ASTM B811 / B353

جدول 1: آلیاژهای کلیدی و گریدهای فولاد ضد زنگ مورد استفاده در نیروگاه های هسته ای، با استانداردهای قابل اجرا. *آلیاژ 600 در برخی از کارخانه های قدیمی باقی مانده است. برای ساخت و ساز جدید مشخص نشده است. Zircaloy فقط برای مرجع ذکر شده است.

Nuclear Codes and Standards

مواد هسته ای از جمله دقیق ترین مواد در هر صنعت هستند. یک ماده نمی تواند به سادگی مشخصات شیمیایی و مکانیکی خود را برآورده کند - باید قابل ردیابی، آزمایش، مستندسازی و واجد شرایط بودن تحت یک برنامه تضمین کیفیت باشد. چارچوب های کلیدی حاکم عبارتند از:

ASME Boiler and Pressure Vessel Code (BPVC) بخش III: کد اولیه مخازن تحت فشار هسته ای، لوله کشی، پمپ ها و شیرها در ایالات متحده و بسیاری از بازارهای بین المللی. مواد باید در جداول مواد تایید شده ظاهر شوند (مثلاً کد N-60 برای آلیاژ 690).

RCC-M (کد هسته‌ای فرانسه): معادل فرانسوی، اجباری برای راکتورهای EPR و به طور گسترده در سطح بین‌المللی ارجاع شده است. RCC{2}}M M4105 لوله های آلیاژی 690TT را پوشش می دهد.

ASME NQA-1: الزامات تضمین کیفیت برای تاسیسات هسته ای. هر گواهی مواد، سوابق عملیات حرارتی و گزارش آزمایش باید تا یک شماره حرارتی منحصر به فرد قابل ردیابی باشد.

10 CFR 50 ضمیمه B (NRC ایالات متحده): معیارهای تضمین کیفیت کمیسیون تنظیم مقررات هسته ای ایالات متحده برای نیروگاه های هسته ای، که برای همه مواد مرتبط{2}} ایمنی اعمال می شود.

استانداردهای ایمنی آژانس بین المللی انرژی اتمی (SSR-2/1): الزامات آژانس بین المللی انرژی اتمی برای طراحی نیروگاه های هسته ای که توسط نهادهای نظارتی در بیش از 40 کشور ارجاع شده است.

در عمل، این بدان معناست که گواهی آزمایش آسیاب (MTC) برای لوله‌های هسته‌ای-گرید آلیاژ 690 ممکن است تا 10 صفحه یا بیشتر اجرا شود، که شیمی (تجزیه و تحلیل گرما و تجزیه و تحلیل محصول)، ویژگی‌های کششی در اتاق و دمای بالا، سختی، تست‌های خوردگی، بازرسی ابعادی، و غیر{3}}و غیر{3}}تخریبی بودن همه نتایج معاینه مجاز را ثبت کند.

تیم‌های تدارکاتی که فولاد ضد زنگ یا آلیاژهای نیکل را برای خدمات هسته‌ای مشخص می‌کنند باید قبل از صدور سفارش خرید موارد زیر را بررسی کنند:

صلاحیت هسته‌ای: تأیید کنید که مواد تحت کد قابل اجرا (ASME III، RCC{0}}M، JSME، یا KEPIC) تأیید شده‌اند و کارخانه دارای برنامه کیفیت هسته‌ای مورد نیاز (NQA-1 یا معادل آن) است.

قابلیت ردیابی حرارتی: هر قطعه باید به یک عدد حرارت مذاب منحصر به فرد برگردد. اختلاط گرما بدون مستندات-در زنجیره تامین هسته ای مطابقت ندارد.

-بازرسی شخص ثالث: یک بازرس هسته‌ای مجاز (ANI) یا شخص ثالث تأیید شده باید آزمایش‌های کلیدی را در کارخانه شاهد و تأیید کند. الزامات نقطه شاهد (W) و نقطه نگه داشتن (H) در سفارش خرید تعریف شده است.

شناسایی مواد مثبت (PMI): در سایت تأیید XRF یا OES که آلیاژ دریافتی با آلیاژ سفارش داده شده مطابقت دارد، برای اجزای طبقه‌بندی شده ایمنی-اجباری است.

اقلام تقلبی و تقلبی (CFSI): تدارکات هسته‌ای باید شامل اقدامات پیشگیری از CFSI در NRC در سال‌های 2012-2012 باشد. فقط از تامین کنندگان تایید شده با لیست تامین کنندگان تایید شده مستند (ASL) تهیه کنید.

نیروگاه های هسته ای آلیاژهایی را می طلبند که بسیار فراتر از درجه های صنعتی استاندارد است. آلیاژ 690TT معیاری برای لوله های مولد بخار است دقیقاً به این دلیل که مشکل PWSCC را که چندین دهه آلیاژ 600 را درگیر کرده بود حل می کند. آلیاژ 625 و آلیاژ 718 استحکام و مقاومت در برابر تشعشع مورد نیاز برای قطعات داخلی هسته و بست‌های فشار{6} بالا را ارائه می‌دهند. فولادهای زنگ نزن آستنیتی - به ویژه 316LN، 304L، و گریدهای تثبیت شده 321 و 347 - ستون فقرات لوله کشی، مهار و تبادل حرارتی خنک کننده را تشکیل می دهند.

آنچه همه این مواد را متحد می کند، صلاحیت دقیق است: شیمی، آزمایش مکانیکی، قابلیت ردیابی حرارتی، انطباق با کد، و بازرسی مستقل. در انرژی هسته ای، کار اداری بوروکراسی نیست - بلکه یکپارچگی مهندسی است. انتخاب یک تامین کننده واجد شرایط با برنامه کیفیت هسته ای اثبات شده یک اولویت نیست. یک الزام است.