راکتورهای کوچک مدولار (SMRs) و آلیاژهای نیکل: مواد برای نسل بعدی- هسته ای

راکتورهای مدولار کوچک (SMR) به سادگی نسخه‌های کوچک‌تر-راکتورهای آب تحت فشار{1} معمولی نیستند. چندین طرح پیشرفته داغ‌تر می‌شوند، از خنک‌کننده‌های مختلف - هلیوم، سدیم مایع، یا نمک فلوراید مذاب به جای آب تحت فشار - استفاده می‌کنند و طول عمر و چرخه‌های کاری را هدف قرار می‌دهند که مواد ساختاری را بسیار فراتر از پوشش دما و خوردگی که فولاد ضد زنگ درجه هسته‌ای{{5} معمولی برای استفاده از آن واجد شرایط بود، می‌کشاند.

آلیاژهای مبتنی بر نیکل-خانواده موادی هستند که بهترین موقعیت را برای بستن این شکاف دارند و از قبل در سراسر زنجیره تامین راکتور پیشرفته ظاهر می شوند: به عنوان لوله مولد بخار در SMRهای سبک-آب، به عنوان مواد مبدل حرارتی میانی در طرح‌های گازی-خنک‌شده، و به‌عنوان مواد اولیه نامزد-حلقه‌ای در مفاهیم سرد{3} نمک. این راهنما توضیح می‌دهد که چرا آلیاژهای نیکل برای SMR‌ها اهمیت دارند، گریدهایی که قبلاً دارای کد هستند-در مقابل هنوز در حال توسعه هستند، و چگونه می‌توان در مورد انتخاب مواد در کلاس‌های مختلف فناوری SMR فکر کرد.

راکتورهای کوچک مدولار چیست و چرا مواد مورد نیاز آنها با راکتورهای معمولی متفاوت است؟

SMR ها چندین کلاس راکتور مجزا با خنک کننده ها و دماهای کاری بسیار متفاوت را در بر می گیرند، و این تنوع - نه فقط اندازه کوچکتر - است که نقش گسترش یافته را برای آلیاژهای نیکل ایجاد می کند.

"SMR" یک راکتور ماژولار{0} ساخته شده در کارخانه را توصیف می‌کند که معمولاً کمتر از 300 مگاوات است، اما این اصطلاح چندین فناوری اساساً متفاوت را در بر می‌گیرد. SMRهای سبک-آب (مانند طراحی NuScale و GE Hitachi BWRX-300) از ترکیب شیمیایی خنک‌کننده آب در حال جوش یا خنک‌کننده مشابه با راکتورهای بزرگ معمولی استفاده می‌کنند و در محدوده دمایی مشابهی کار می‌کنند، بنابراین به‌شدت متکی بر فولادهای هسته‌ای ثابت شده-و فولادهای غیرکلی{7} و تمام{7}کلی پایین هستند. برای اجزای خاص با وظیفه بالا مانند لوله های مولد بخار.

راکتورهای{0}}خنک‌شده با گاز{1} در دمای بالا، یا HTGRها (مانند X-energy's Xe-100)، از خنک‌کننده هلیوم و سوخت ذرات TRISO استفاده می‌کنند و دمای خروجی بسیار بالاتری را برای بهبود راندمان حرارتی و فعال کردن کاربردهای حرارتی فرآیندهای صنعتی هدف قرار می‌دهند. راکتورهای سریع خنک‌شده با سدیم (مانند طراحی Natrium TerraPower) از مایع خنک‌کننده فلزی در دمای متوسط-تا-بالا و فشار کم استفاده می‌کنند. راکتورهای{10}}نمک{11}}فلورایدی با دمای بالا یا FHRها (مانند طرح هرمس Kairos Power)، نمک فلوراید مذاب را به عنوان خنک‌کننده در اطراف سوخت جامد سنگ‌ریزه TRISO به گردش در می‌آورند، در حالی که راکتورهای نمک مذاب واقعی سوخت را مستقیماً در نمک در حال گردش حل می‌کنند. هر یک از این کلاس ها ترکیب متفاوتی از دما، شیمی مایع خنک کننده و محیط نوترونی را روی مواد ساختاری خود قرار می دهند.

جدول 1. کلاس های فناوری SMR، دمای عملیاتی تقریبی، و طرح های نمونه. ارقام توسط کلاس راکتور برای نشان دادن تعمیم داده می شوند. طرح‌های خاص فروشنده متفاوت است و مشخصات رسمی باید در برابر فروشنده فعلی و اسناد نظارتی تأیید شود.

چرا راکتورهای پیشرفته به جای فولاد ضد زنگ استاندارد به آلیاژهای نیکل نیاز دارند؟

فولاد زنگ نزن آستنیتی هسته‌ای معمولی-استحکام خزشی و مقاومت در برابر اکسیداسیون بیش از حدود 550 تا 650 درجه را برای طراحی چند دهه‌ای که راکتورهای پیشرفته نیاز دارند از دست می‌دهد و آلیاژهای نیکل خدمات ساختاری قابل استفاده را به محدوده 700 تا 950 درجه که HTGR{6} نیاز دارند گسترش می‌دهند.

بر اساس کد دیگ بخار و مخزن تحت فشار ASME، بخش III، بخش 5 بر ساخت اجزای هسته ای با دمای بالا در هر نوع خنک کننده راکتور پیشرفته نظارت می کند. برای چندین دهه، فقط پنج ماده برای این خدمات واجد شرایط بودند: فولادهای فریتی 2.25Cr-1Mo و وانادیوم{10}}تغییر یافته 9Cr-1Mo، فولاد زنگ نزن آستنیتی انواع 304H و 316H و آستنیتی با نیکل{15}بالا{15}All 800H. از این میان، تنها آلیاژ 800H برای طراحی واقعاً با دمای بالا و خزش ناچیز و نزدیک به 760 درجه و بالاتر رتبه بندی شده است.

بیش از تقریباً 550-650 درجه، تنش طراحی مجاز فولاد ضد زنگ استاندارد 304H/316H به شدت کاهش می‌یابد، زیرا-تغییر شکل خزشی وابسته به زمان - نه کوتاه{6}}تسلیم مدت یا استحکام کششی - به حالت شکست حاکم تبدیل می‌شود، و همچنین حالت خرابی حاکم بر فولاد ضدزنگ{8}محافظت کننده فولاد ضد زنگ{8}می‌شود. در محیط های هلیوم یا نمک با دمای بالا-. آلیاژهای نیکل مانند آلیاژ 617 هر دو مشکل را حل می‌کنند: محتوای نیکل بالاتر آنها مقاومت در برابر خزش و جوهای کربوری/اکسیدکننده را بهبود می‌بخشد و دمای طراحی واجد شرایط را تا حدود 954 درجه (1750 درجه فارنهایت) تحت یک مورد کد ASME 2019 افزایش می‌دهد.

کدام آلیاژهای نیکل برای ساخت رآکتور پیشرفته واجد شرایط یا تحت ارزیابی هستند؟

آلیاژ 800H در حال حاضر تنها ماده مبتنی بر نیکل{1}}با صلاحیت کامل و قدیمی بخش III، بخش 5 ASME است. آلیاژ 617 از طریق دو مورد کد اختصاصی اضافه شده است، در حالی که آلیاژهای 690، Hastelloy N، GH3535 و آلیاژ 709 هر کدام نقشی را ایفا می کنند، اما در مراحل مختلف مسیر صلاحیت قرار دارند.

جدول 2. نیکل-بلبرینگ و نیکل{2}}آلیاژهای مجاور مربوط به ساخت رآکتور پیشرفته، ترکیبات تقریبی آنها، و وضعیت صلاحیت کد فعلی آنها در ایالات متحده-. شماره‌های پرونده کد، محدودیت‌های دما، و وضعیت صلاحیت باید همیشه در برابر ASME BPVC بخش III، نسخه 5 نسخه و موارد کد قابل اجرا تأیید شود.

آلیاژهای نیکل در محیط های راکتور نمک مذاب چگونه عمل می کنند؟

نیکل{0}}مولیبدن-آلیاژهای کروم مانند Hastelloy N و GH3535 در برابر خوردگی نمک فلوراید مذاب به مراتب بهتر از فولاد زنگ نزن مقاومت می‌کنند، زیرا محتوای کروم کم آنها مسیر خوردگی غالب را محدود می‌کند - شسته شدن کروم از داخل دانه‌های نمکی در حالی که {{4} مقدار کمی از آنها را حفظ می‌کند. قدرت دمایی-بالا.

نمک های فلوراید مذاب مانند FLiBe (فلورید لیتیوم- فلوراید بریلیم) و FLiNaK (فلورید لیتیوم-سدیم-پتاسیم) خنک کننده های راکتور جذابی هستند زیرا جذب نوترون کم، ظرفیت گرمایی حجمی بالا و فشار عملیاتی کم دارند، اما از نظر شیمیایی نیز از نظر ساختاری بسیار قوی هستند. مکانیسم تخریب غالب، حمله سطحی عمومی نیست، بلکه شسته شدن انتخابی کروم از مرزهای دانه به داخل نمک است که توسط پتانسیل ردوکس نمک هدایت می‌شود. این می تواند یک لایه زیرسطحی متخلخل و کروم-تهی شده باقی بگذارد و تحت تنش اعمالی، باعث ایجاد خوردگی بین دانه ای-به ترک خوردگی شود.

هدف Hastelloy N{0}}در آزمایشگاه ملی Oak Ridge در دهه‌های 1950-1960 به‌طور خاص برای مقاومت در برابر این مکانیسم برای آزمایش راکتور نمک مذاب توسعه داده شد، و - همراه با GH3535 چین از نظر ترکیبی مشابه، در برنامه آزمایش مذاب مجدد مذاب{6}Thorium مذاب{5} در آن کشور استفاده شد. خانواده آلیاژ برای راکتورهای خنک‌شده با فلوراید-نمک-. از آنجایی که این آلیاژها هنوز مسیر صلاحیت بخش ASME بخش III، بخش 5 را در ایالات متحده تکمیل نکرده‌اند، توسعه‌دهندگانی که طراحی‌های نزدیک به مدت{11}FHR و MSR را دنبال می‌کنند، عموماً به‌عنوان بخشی از استراتژی مجوز کلی خود، برای یک مورد کد مواد اختصاصی، با پشتیبانی از خوردگی طولانی مدت و داده‌های آزمایش مکانیکی، برنامه‌ریزی می‌کنند.

آلیاژهای نیکل در راکتورهای گازی-خنک‌شده و با دمای بالا{1}}هلیوم چگونه عمل می‌کنند؟

آلیاژ 617 و آلیاژ 800H آلیاژهای نیکل پیشرو برای خدمات HTGR هستند، زیرا هر دو یک لایه اکسید کروم{2} پایدار و محافظ در هلیوم تشکیل می‌دهند و استحکام خزشی مفید را بسیار بالاتر از حد فولاد ضد زنگ حفظ می‌کنند، اگرچه هر دو در برابر کربن‌زدایی آهسته یا کربن‌زدایی در صورت عدم خنک‌کننده‌های هلیوم آسیب‌پذیر هستند.

خنک‌کننده هلیوم تولیدی در HTGR هرگز کاملاً خالص نیست - سطوح کمی از مونوکسید کربن، هیدروژن، متان و رطوبت از سوخت، گرافیت و خروج گاز سیستم اجتناب‌ناپذیر است - و این ناخالصی‌ها می‌توانند باعث کربور شدن (پیکاپ کربن، که آلیاژ را ترد می‌کند، تعادل آلیاژ را ضعیف می‌کند) یا کاهش وزن را ایجاد می‌کند. دما آلیاژ 800H دارای چندین دهه سابقه عملیاتی در این محیط است، از جمله در کارخانه‌های اولیه HTGR، و یکی از پنج ماده اصلی ASME بخش III، بخش 5 واجد شرایط است.

آلیاژ 617 به طور گسترده از اواسط-2000 به عنوان کاندید اصلی مبدل حرارتی میانی (IHX) - که گرما را از حلقه هلیوم اولیه به فرآیند ثانویه منتقل می‌کند - مشخص شده است، زیرا ترکیبی از استحکام بالاتر-در دمایی-بالاتری نسبت به آلیاژ stHelment-Helment-80. به اوج خود در ASME Code Case N-898 رسید که ساخت آلیاژ 617 واجد شرایط را تا 954 درجه (1750 درجه فارنهایت) گسترش داد.

آلیاژ 690 چه نقشی در SMRهای سبک-آب- دارد؟

آلیاژ 690 به دلیل مقاومت بالای آن در برابر خوردگی ناشی از خوردگی تنش آب اولیه (PWSCC)، یک حالت خرابی که صنعت هسته‌ای را از سلف خود، آلیاژ 600، از دهه 1980 تا 1980 دور کرد، تولید کننده بخار استاندارد و مواد لوله‌های مبدل حرارتی{1}}برای طراحی‌های SMR سبک-آب است.

SMRهای سبک-آب مانند طراحی NuScale و GE Hitachi's BWRX-300 بیشتر مواد خود را مستقیماً از ناوگان بزرگ-راکتوری تحت فشار و آب جوش به ارث می‌برند، از جمله تکیه بر آلیاژ 690 در هر جا که نیکل{5}}همه آلیاژ کروم تماس داشته باشد. آب اولیه با خلوص-بالا{10}}در دمای بالا تحت تنش پسماند ناشی از خم شدن یا انبساط. آلیاژ 600، که در کارخانه‌های قبلی استفاده می‌شد، نشان داد که تحت خدمات طولانی‌مدت{11}به PWSCC در مرزهای دانه حساس است، که منجر به تعویض پرهزینه‌های مولد بخار در سراسر صنعت شد.

محتوای کروم بسیار بالاتر آلیاژ 690 باعث ایجاد یک لایه اکسید محافظ پایدارتر و پیوسته تحت شرایط شیمیایی آب و تنش می شود و در دهه ها تجربه عملیاتی بعدی به طور قابل توجهی مقاومت ترک خوردگی بهتری به آن می بخشد. از آنجایی که SMRهای سبک-آب در همان دما و پوشش شیمیایی آب- مانند ناوگان PWR معمولی عمل می‌کنند، لوله‌های آلیاژی 690 به‌عنوان ماده‌ای واجد شرایط و کد{5}} پذیرفته‌شده به جای نیاز به کار جدید{6} صلاحیت درجه حرارت بالا از نوع HTGR و salt مورد نیاز است.

مکانیسم‌های تخریب کلیدی که آلیاژهای نیکل باید در خدمات SMR در برابر آن مقاومت کنند چیست؟

مکانیسم تخریب غالب بر حسب خنک کننده متفاوت است: خزش و هلیوم-کربورسازی ناخالصی بر طرح های گازی-سرد شده حاکم است، شستشوی کروم بر طرح های مذاب-نمک حاکم است، ترک خوردگی ناشی از تنش آب اولیه بر نور-طراحی های آب متقاطع{5}بریدگی{4} نظارت دارد. نگرانی برای هر آلیاژ نیکل مورد استفاده در موقعیت نفوذ نوترون بالا.

جدول 3. مکانیسم‌های اصلی تخریب آلیاژهای نیکل باید در کلاس‌های خنک‌کننده SMR و طراحی اولیه یا کاهش‌های متالورژیکی مورد استفاده در عمل فعلی مقاومت کنند.

بخش 5 ASME چگونه یک ماده جدید را برای استفاده از راکتور پیشرفته واجد شرایط می کند؟

یک ماده ساختاری هسته‌ای جدید از طریق یک فرآیند رسمی کد ASME{0}}که به یک بسته داده قابل توجه و چند ساله در مورد رفتار خزشی، کششی و خستگی در محدوده دمای سرویس مورد نظر نیاز دارد، توسط کمیته فرعی ASME مربوطه بازبینی شده و قبل از استفاده برای ساخت و ساز دارای مجوز، از نامزد به وضعیت واجد شرایط منتقل می‌شود.

بخش 5 ASME بخش III منتشر شد تا قوانین ساخت هسته‌ای در دمای بالا را برای همه انواع خنک‌کننده راکتورهای پیشرفته تحت یک بخش، با تکیه بر روش‌های طراحی که در ابتدا برای راکتورهای-سردشده سدیم توسعه داده شده بود، تلفیق کند. افزودن یک ماده جدید - همانطور که برای آلیاژ 617 - اتفاق افتاد، به تولید کننده مواد یا یک کنسرسیوم صنعتی نیاز دارد که یک بسته داده طراحی کلاس A را جمع‌آوری کند که ویژگی‌های کششی و خزشی-پارگی در محدوده دمای مورد نظر، تنش هم زمان-منحنی‌های کرنش-داده‌های{8}}خستگی و خستگی،{9} بالا{8}}درجه حرارت، خستگی و{9} را پوشش دهد. اطلاعات جوش‌پذیری، همگی بر اساس «راهنمای نیازهای طراحی به داده‌ها برای مواد جدید» کد ایجاد شده‌اند.

کمیته دیگ بخار و مخازن تحت فشار ASME سپس این بسته را قبل از انتشار یک مورد کد رسمی بررسی و رای داد. موارد کد آلیاژ 617 تقریباً یک دهه کار توصیفی را به طول انجامید، اگرچه ASME از آن زمان چرخه بررسی مواد بعدی را بر اساس درس های آموخته شده ساده کرده است. این فرآیند دلیل اصلی برخی از آلیاژهای نیکل سازه‌ای امیدوارکننده مانند Hastelloy N است که به جای مواد واجد شرایط برای ساخت‌وساز دارای مجوز ایالات متحده باقی می‌مانند، حتی اگر خوردگی و رفتار مکانیکی آنها برای دهه‌ها مورد مطالعه قرار گرفته باشد.

کدام آلیاژ نیکل را برای جزء راکتور پیشرفته خود باید مشخص کنید؟

آلیاژ را با شیمی خنک کننده حاکم و دمای جزء خاص مطابقت دهید، نه با کلاس راکتور به عنوان یک کل، زیرا یک طرح SMR واحد می تواند چندین محیط عملیاتی مختلف را در سیستم های اولیه و ثانویه خود شامل شود.

جدول 4. راهنمای انتخاب سطح آلیاژ نیکل-بر اساس محیط خنک کننده SMR. انتخاب مواد نهایی باید در برابر طرح تایید شده فروشنده راکتور خاص و موارد کد ASME ویرایش/کد که توسط پایه مجوز مورد استناد قرار گرفته است، تایید شود.

وضعیت فعلی استقرار SMR چیست و چرا برای زنجیره تامین مواد اهمیت دارد؟

از سال 2026، ایالات متحده برای اولین بار در دهه‌های گذشته از طرح‌های کاغذی به ساخت‌وساز فعال تبدیل شده است، و این تغییر شروع به ایجاد تقاضای واقعی-مدت مدت برای صفحات، لوله‌ها، لوله‌ها و آهنگرهای هسته‌ای با درجه آلیاژ نیکل به جای مقادیر تحقیقاتی{3}}می‌کند.

TerraPower اولین مجوز ساخت کمیسیون تنظیم مقررات هسته ای ایالات متحده را برای یک راکتور تجاری غیرسبک-در مارس 2026 دریافت کرد و مدت کوتاهی پس از آن در نیروگاه Natrium با سدیم{5}}خود در کمرر، وایومینگ شکست خورد. طرح ارتقا یافته SMR NuScale Power تأییدیه NRC را دریافت کرده است و شرکت‌های خدماتی از جمله اداره دره تنسی برنامه‌های استقرار چند-گیگاواتی SMR را راه‌اندازی کرده‌اند.

Xe-هلیوم-Xe خنک‌شده-100 ازطریق بررسی NRC در حال پیشرفت است و Kairos Power به ساخت واحدهای آزمایشی متوالی-فلوراید{4}}خنک‌شده با نمک در تنسی ادامه می‌دهد. شرکت های فناوری بزرگ به طور جداگانه بیش از ده گیگاوات ظرفیت هسته ای پیشرفته را امضا کرده اند تا به رشد مرکز داده هوش مصنوعی کمک کنند، مقیاس تعهد خصوصی که برای صنعت جدید است.

برای تامین کنندگان آلیاژ و اجزا، این بدان معناست که نمرات آلیاژ نیکل که قبلاً در این راهنما مورد بحث قرار گرفته است - آلیاژ 690، آلیاژ 617، آلیاژ 800H، و خانواده مذاب-نمک-هشتلوی N مقاوم - از برنامه های آزمایشی در درجه اول آکادمیک و ملی- در حال حرکت هستند. اولین-از-نوع خرید تجاری، با قابلیت ردیابی گزارش آزمایش کارخانه و کد{11}}انطباق مورد{11}}به‌جای بررسی آینده، به یک الزام خرید نزدیک- تبدیل شده است.

سوالات متداول

Q: آیا می توان از فولاد ضد زنگ استاندارد 316 در قطعات SMR استفاده کرد؟

A: بله، برای اجزای دمای پایین‌تر-. انواع 304H و 316H مواد ASME بخش III، بخش 5 واجد شرایط باقی می‌مانند و در طرح‌های راکتورهای پیشرفته هر جا که دمای سرویس در محدوده مجاز-تنش - معمولاً تا حدود 550-650 درجه بسته به طول عمر طراحی و بارگذاری باشد، استفاده می‌شوند. بالاتر از این محدوده، قدرت خزش آن‌ها برای یک عمر طراحی چند دهه خیلی سریع کاهش می‌یابد، جایی که آلیاژ 617 و آلیاژ 800H است.

Q: بالاترین دمایی که یک آلیاژ نیکل هسته ای-می تواند تحمل کند چقدر است؟

A: بر اساس ASME بخش III، بخش 5 موارد کد فعلی، آلیاژ 617 برای ساخت تا 954 درجه (1750 درجه فارنهایت) واجد شرایط است که بالاترین حد دما در بین هر ماده ای که در حال حاضر کد- برای ساخت و ساز هسته ای ایالات متحده واجد شرایط است. دمای واقعی طراحی جزء توسط تجزیه و تحلیل پایه طراحی{9}راکتور خاص تنظیم می‌شود، نه تنها با حداکثر محدودیت کد آلیاژ.

Q: چرا Hastelloy N هنوز در یک راکتور تجاری دارای مجوز ایالات متحده استفاده نشده است؟

A: نه به این دلیل که عملکرد آن مشکوک است - دارای چندین دهه آزمایش و داده‌های عملیاتی محدودی است که به آزمایش راکتور نمک مذاب دهه 1960 برمی‌گردد -، بلکه به این دلیل که هنوز فرآیند رسمی صلاحیت مواد ASME بخش III، بخش 5 مورد نیاز برای ساخت و ساز تجاری دارای مجوز در ایالات متحده را تکمیل نکرده است. انتظار می‌رود توسعه‌دهندگانی که به دنبال طرح‌های خنک‌شده-نمک یا فلوراید-نمک- مذاب هستند، یک مورد کد اختصاصی را به عنوان بخشی از مسیر صدور مجوز خود دنبال کنند.

Q: آیا آلیاژ 690 مورد استفاده در ژنراتورهای بخار SMR با آلیاژ 690 مورد استفاده در PWRهای بزرگ متفاوت است؟

A: خیر. طرح‌های سبک-آب SMR معمولاً بر اساس همان مشخصات مواد آلیاژی 690 ASME{2}}که قبلاً برای ناوگان راکتورهای آب تحت فشار{4} معمولی ایجاد شده‌اند، طراحی می‌شوند، زیرا هر دو در محدوده شیمیایی و دمایی آب اولیه مشابهی کار می‌کنند. خود آلیاژ برای این کاربرد نیازی به شرایط دمای بالا{6} ندارد.

Q: معمولاً چقدر طول می کشد تا یک ماده جدید به کد هسته ای ASME اضافه شود؟

A: از لحاظ تاریخی، در حدود یک دهه برای اولین-در-مواد با دمای بالا- آلیاژ 617 از توصیف اولیه تا انتشار تقریباً به همین اندازه طول کشید. از آن زمان ASME گردش کار بررسی خود را بر اساس درس‌های آموخته شده از آن تلاش ساده‌سازی کرده است، اما جمع‌آوری بسته داده‌های خزش، خستگی و جوش‌پذیری مورد نیاز همچنان به عنوان مرحله محدودکننده نرخ برای هر ماده نامزد جدید باقی می‌ماند.