Pienet modulaariset reaktorit (SMR) ja nikkelilejeeringit: materiaalit seuraavan-sukupolven ydinvoimalalle

Pienet modulaariset reaktorit (SMR) eivät ole yksinkertaisesti{0}}pienennettyjä versioita tavanomaisista paineistettuista-vesireaktoreista. Useat edistyneet mallit ovat kuumempia, käyttävät erilaisia ​​jäähdytysnesteitä - heliumia, nestemäistä natriumia tai sulaa fluoridisuolaa paineistetun veden sijasta - ja tavoittelevat käyttöikää ja käyttöjaksoja, jotka työntävät rakennemateriaalit huomattavasti lämpötilan ja korroosion rajojen yli, joihin perinteinen ydin-laatuinen ruostumaton teräs soveltui.

Nikkeli{0}}pohjaiset seoksetovat materiaaliperhe, jolla on parhaat mahdollisuudet sulkea tämä aukko, ja niitä esiintyy jo kaikkialla edistyneessä reaktorin toimitusketjussa: höyrynkehittimen putkina kevyissä-veden SMR:issä, välilämmönvaihdinmateriaalina kaasu-jäähdytteisissä malleissa ja ehdokas primääri-silmukkamateriaalina suola-jäähdytetyissä konsepteissa. Tässä oppaassa kerrotaan, miksi nikkeliseokset ovat tärkeitä SMR:ille, mitkä laatuluokat ovat jo koodin -hyväksyttyjä verrattuna vielä kehitysvaiheeseen, ja kuinka harkita materiaalien valintaa eri SMR-tekniikkaluokissa.

Mitä ovat pienet modulaariset reaktorit ja miksi niiden materiaalitarpeet eroavat perinteisistä reaktoreista?

SMR:t kattavat useita eri reaktoriluokkia, joissa on hyvin erilaisia ​​jäähdytysnesteitä ja käyttölämpötiloja, ja tämä monimuotoisuus - ei vain pienempi koko -, joka ohjaa nikkeliseosten laajempaa roolia.

"SMR" kuvaa tehtaalla{0}}valmistettua modulaarista reaktoria, jonka teho on yleensä alle 300 MWe, mutta termi kattaa useita täysin erilaisia ​​tekniikoita. Kevyt-veden SMR:t (kuten NuScalen suunnittelu ja GE Hitachin BWRX-300) käyttävät samaa paineistetun tai kiehuvan veden jäähdytyskemiaa kuin perinteiset suuret reaktorit ja toimivat samalla lämpötila-alueella, joten ne ovat vahvasti riippuvaisia vakiintuneesta ydin-laatuisesta {{ruostumattomasta}}teräksestä. varattu tietyille suuritehoisille komponenteille, kuten höyrygeneraattorin putkille.

Korkean-lämpötilan kaasu-jäähdytteiset reaktorit tai HTGR-reaktorit (kuten X-energy's Xe-100) käyttävät heliumjäähdytysnestettä ja TRISO-hiukkaspolttoainetta ja tähtäävät paljon korkeampiin ulostulolämpötiloihin lämpötehokkuuden parantamiseksi ja teollisten prosessien lämpösovellusten mahdollistamiseksi. Natrium-jäähdytteiset nopeat reaktorit (kuten TerraPowerin Natrium-malli) käyttävät nestemäistä metallia jäähdytysnestettä kohtalaisen---korkeassa lämpötilassa ja matalassa paineessa. Fluori{10}}suola-jäähdytteiset korkean lämpötilan reaktorit tai FHR-reaktorit (kuten Kairos Powerin Hermes-suunnittelu) kierrättävät sulaa fluoridisuolaa jäähdytysaineena kiinteän TRISO-kivipolttoaineen ympärillä, kun taas todelliset sulan suolareaktorit liuottavat polttoaineen suoraan kiertävään suolaan. Jokainen näistä luokista asettaa rakennemateriaaleihinsa erilaisen lämpötilan, jäähdytysnesteen kemian ja neutroniympäristön yhdistelmän.

Taulukko 1. Edustavat SMR-teknologialuokat, likimääräiset käyttölämpötilat ja mallimallit. Kuviot on yleistetty reaktoriluokittain havainnollistamistarkoituksessa; tietyt myyjämallit vaihtelevat, ja viralliset tekniset tiedot on vahvistettava nykyisten toimittajan ja säädösten mukaisten asiakirjojen perusteella.

Miksi edistyneet reaktorit tarvitsevat nikkeliseoksia tavallisen ruostumattoman teräksen sijaan?

Perinteinen ydinluokan -austeniittista ruostumaton teräs menettää liikaa virumislujuutta ja hapettumiskestävyyttä yli noin 550–650 astetta moni-kymmenvuotisen suunnittelun aikana, jota kehittyneet reaktorit vaativat, ja nikkeliseokset laajentavat käyttökelpoista rakennetta 700–950 asteen alueelle, jota {{HTGR ja jonkin verran suolattua suunnittelua) tarvitaan.

ASME:n kattila- ja paineastiasäännöstön osan III osasto 5 säätelee korkean lämpötilan ydinkomponenttien rakentamista- kaikissa kehittyneissä reaktorin jäähdytysainetyypeissä. Tähän palveluun kelpuutettiin vuosikymmenien ajan vain viisi materiaalia: 2,25Cr-1Mo ja vanadiini-modifioitu 9Cr-1Mo ferriittiset teräkset, tyypit 304H ja 316H austeniittiset ruostumattomat teräkset ja korkea-nikkelipitoinen alloausteniittinen.80000 Näistä vain Alloy 800H on luokiteltu aidosti korkeiden lämpötilojen, vähäisen ryömintätason suunnitteluun, joka lähestyy 760 astetta tai enemmän.

Noin 550–650 asteen yläpuolella standardin 304H/316H ruostumattoman teräksen sallittu suunnittelujännitys putoaa jyrkästi, koska ajasta-riippuva virumismuodonmuutos - ei lyhytaikainen myötölujuus tai vetolujuus - tulee hallitsevaksi rikkoutumistilaksi, ja myös vähemmän suojaava kromi{{8} ruostumaton teräs korkean lämpötilan-helium- tai suolaympäristöt. Nikkeliseokset, kuten Alloy 617, ratkaisevat molemmat ongelmat: niiden korkeampi nikkelipitoisuus parantaa virumis- ja hiiltymis-/hapetusilmakehän kestävyyttä ja pidentää pätevät suunnittelulämpötilat noin 954 asteeseen (1750 asteeseen F) vuoden 2019 ASME-koodikotelon mukaisesti.

Mitkä nikkelilejeeringit ovat hyväksyttyjä tai arvioitavassa edistyneitä reaktoreita varten?

Alloy 800H on tällä hetkellä ainoa nikkeli-pohjainen materiaali, jolla on täysi, pitkäaikainen ASME Section III, Division 5 -luokitus. Alloy 617 on lisätty kahdella erillisellä koodikotelolla, kun taas Alloy 690, Hastelloy N, GH3535 ja Alloy 709 ovat kumpikin roolistaan, mutta istuvat kelpoisuuspolun eri vaiheissa.

Taulukko 2. Nikkeli-laakerit ja nikkeli-seokset, jotka liittyvät edistyneen reaktorin rakentamiseen, niiden likimääräiset koostumukset ja niiden nykyinen US code{5}}pätevyystila. Kooditapausnumerot, lämpötilarajat ja kelpoisuustila tulee aina varmistaa nykyisen ASME BPVC Section III, Division 5 -version ja voimassa olevien kooditapausten perusteella.

Kuinka nikkeliseokset toimivat sulasuolareaktoriympäristöissä?

Nikkeli-molybdeeni-kromiseokset, kuten Hastelloy N ja GH3535 kestävät sulan fluoridisuolakorroosiota paljon paremmin kuin ruostumaton teräs, koska niiden alhainen kromipitoisuus rajoittaa vallitsevaa korroosioreittiä - kromin huuhtoutumista rakeiden rajoista, kun taas molybdenin lisäyssuolaan {{4} säilyy korkea lämpötila{5} voimaa.

Sulat fluoridisuolat, kuten FLiBe (litiumfluoridi-berylliumfluoridi) ja FLiNaK (litium-natrium-kaliumfluoridi) ovat houkuttelevia reaktorin jäähdytysnesteitä alhaisen neutroniabsorption, suuren tilavuuslämpökapasiteetin ja alhaisen käyttöpaineen vuoksi, mutta ne ovat myös kemiallisesti aggressiivisia useimpia rakenteellisia seoksia kohtaan. Hallitseva hajoamismekanismi ei ole yleinen pintahyökkäys, vaan kromin valikoiva huuhtoutuminen raerajoista suolaan suolan redox-potentiaalin ohjaamana; tämä voi jättää huokoisen, kromi{1}}vähentyneen pinnan kerroksen ja rasituksen alaisena edistää rakeidenvälistä korroosiota{2}}avusteista halkeilua.

Hastelloy N kehitettiin -Oak Ridge National Laboratoryssa 1950–60-luvuilla erityisesti vastustamaan tätä sulasuolareaktorikokeen mekanismia, ja se - yhdessä Kiinan koostumukseltaan samanlaisen GH3535:n kanssa, jota käytettiin maan toriumsulan -perheen johtavassa rakenneohjelmassa. fluori-suola-jäähdytetty reaktori. Koska nämä seokset eivät ole vielä saaneet päätökseen ASME Section III, Division 5 -pätevyyttä Yhdysvalloissa, kehittäjät, jotka suunnittelevat lähiajan FHR- ja MSR-suunnitelmia, suunnittelevat yleensä oman materiaalikoodikotelon, jota tukevat pitkäkestoiset korroosio- ja mekaaniset testitiedot, osana yleistä lisenssistrategiaansa.

Kuinka nikkelilejeeringit toimivat helium{0}}jäähdytteisissä, korkean lämpötilan{1}}kaasureaktoreissa?

Alloy 617 ja Alloy 800H ovat johtavia nikkeliseoksia HTGR-palveluissa, koska molemmat muodostavat vakaan, suojaavan kromi-oksidikerroksen heliumissa ja säilyttävät käyttökelpoisen virumislujuuden selvästi ruostumattoman teräksen rajojen yläpuolella, vaikka molemmat ovat edelleen alttiita hitaalle hiilelle tai hiilenpoistolle, jos heliumin jäähdytysnesteen hiilestä jää jäljelle.

HTGR:n tuotannossa oleva heliumin jäähdytysneste ei ole koskaan täysin puhdasta - hiilimonoksidin, vedyn, metaanin ja kosteuden jäämät ovat väistämättömiä polttoaineen, grafiitin ja järjestelmän kaasuttamisen vuoksi -, ja nämä epäpuhtaudet voivat aiheuttaa joko hiiltymistä (hiilenotto, joka haurasttaa seostasapainon) tai sen mukaan, mikä heikkenee ja heikentää hiiltä. lämpötila. Alloy 800H:lla on vuosikymmenten toimintahistoria tässä ympäristössä, mukaan lukien varhaiset HTGR-esittelylaitokset, ja se on edelleen yksi viidestä alkuperäisestä ASME Section III, Division 5 -hyväksytystä materiaalista.

Alloy 617 on luonnehdittu laajasti 2000-luvun puolivälistä lähtien johtavaksi ehdokkaaksi välilämmönvaihtimeen (IHX) - komponentiksi, joka siirtää lämpöä primäärisestä heliumsilmukasta sekundaariseen prosessiin -, koska se yhdistää korkeamman-lämpötilan lujuuden kuin Alloy 800H:ssa, sekä riittävän koodauksen stabiloivan helium-enviruksen. N-898, joka laajensi pätevän Alloy 617 -rakenteen 954 asteeseen (1 750 astetta F).

Mikä rooli Alloy 690:llä on kevyt-vesi-SMR:ssä?

Alloy 690 on tavallinen höyrynkehittimen ja lämmönvaihtimen putkimateriaali kevyt-veden SMR-malleihin, koska se kestää hyvin primääristä vesijännityskorroosiohalkeilua (PWSCC), vikatilaa, joka ajoi ydinteollisuuden pois edeltäjästään, Alloy 600:sta 1900-80-luvulta alkaen.

Kevyt-veden SMR:t, kuten NuScalen suunnittelu ja GE Hitachin BWRX-300, perivät suurimman osan materiaaleistaan suoraan suuresta-reaktorin paineistettua ja kiehuvaa vettä sisältävästä laivastosta, mukaan lukien Alloy 690:n käyttö aina, kun nikkeli{5}}kromi{6}koskettaa{6} korkean-puhtaus, korkean lämpötilan{10}}primäärivesi, joka kärsii taivutus- tai laajenemisjännityksestä. Aiemmissa tehtaissa käytetty Alloy 600 osoittautui alttiiksi PWSCC:lle raerajoilla pitkäaikaisessa{11}}huollossa, mikä johti kalliisiin höyrygeneraattoreiden vaihtoihin alan laajuisesti.

Alloy 690:n huomattavasti korkeampi kromipitoisuus edistää vakaampaa, jatkuvaa suojaavampaa oksidikalvoa samoissa vesikemian ja jännitysolosuhteissa, mikä antaa sille huomattavasti paremman halkeilukestävyyden vuosikymmenten myöhemmän käyttökokemuksen aikana. Koska kevyen-veden SMR:t toimivat samassa lämpötilassa ja veden-kemiallisessa verhossa kuin perinteinen PWR-kalusto, Alloy 690 -letkut ovat päteviä, koodin -hyväksyttyjä materiaaleja sen sijaan, että ne vaatisivat uusia korkean-lämpötilojen pätevöintitöitä, kuten HTGR:n ja suolan kaltaisia.

Mitkä ovat tärkeimmät hajoamismekanismit, joita nikkeliseosten on vastustettava SMR-palvelussa?

Hallitseva hajoamismekanismi eroaa jäähdytysnesteen mukaan: viruminen ja helium{0}}epäpuhtauksien hiiletys hallitsevat kaasua-jäähdytettyjä malleja, kromin liuotus hallitsee sulan-suolan rakennetta, primäärinen vesirasituksen aiheuttama korroosiohalkeilu säätelee kevyttä-vesirakennetta ja säteilyn{{4}{{{{{100}{101}{100}{101}aiheuttaa minkä tahansa heliumin metalliseos, jota käytetään korkean neutronivirtauksen asennossa.

Taulukko 3. Tärkeimmät hajoamismekanismit Nikkeliseosten on kestettävä SMR-jäähdytysnesteluokissa, ja nykyisessä käytännössä käytetyt ensisijaiset suunnittelu- tai metallurgiset lievennykset.

Miten ASME Section III, Division 5 täyttää uuden materiaalin edistyneen reaktorin käyttöön?

Uusi ydinrakennemateriaali siirtyy ehdokasasemasta hyväksyttyyn asemaan muodollisen ASME-koodin-tapausprosessin kautta, joka vaatii merkittävän, usean-vuotisen tietopaketin virumis-, veto- ja väsymiskäyttäytymisestä aiotulla käyttölämpötila-alueella. Asianomaisen ASME-alikomitean on tarkistettava ja äänestetty ennen kuin materiaalia voidaan käyttää luvanvaraiseen rakentamiseen.

ASME Section III, Division 5 julkaistiin yhdistämään korkean lämpötilan ydinrakennussäännöt kaikille edistyneille reaktorin jäähdytysainetyypeille yhdeksi jaotukseksi. Se perustuu suunnittelumenetelmiin, jotka alun perin kehitettiin natriumjäähdytteisille reaktoreille. Uuden materiaalin lisääminen - kuten tapahtui metalliseokselle 617 - vaatii materiaalin tuottajalta tai alan yhteenliittymältä luokan A suunnittelutietopaketin, joka kattaa veto- ja virumis-murtumisominaisuudet aiotulla lämpötila-alueella, isokroniset jännitys{7}}venymäkäyrät korkean-lämpötilan ja vuorovaikutuksen, väsymyksen ja uupumustiedon} hitsattavuustiedot, kaikki kehitetty koodin "Uusien materiaalien suunnittelutietojen tarpeita koskevien ohjeiden mukaisesti".

ASME:n Boiler and Pressure Vessel -komitea tarkasteli ja äänesti tämän paketin ennen muodollisen kooditapauksen julkaisemista; Alloy 617 -kooditapaukset kestivät noin vuosikymmenen karakterisointityötä, vaikka ASME on sittemmin virtaviivaistanut myöhempien materiaalien tarkistussykliä saatujen kokemusten perusteella. Tämä prosessi on ensisijainen syy siihen, että jotkin rakenteellisesti lupaavat nikkeliseokset, kuten Hastelloy N, ovat edelleen ehdokkaita kuin päteviä materiaaleja Yhdysvaltain lisensoituun rakentamiseen, vaikka niiden korroosiota ja mekaanista käyttäytymistä on tutkittu vuosikymmeniä.

Mikä nikkeliseos sinun tulisi määrittää edistyneelle reaktorikomponentille?

Sovita metalliseos tietyn komponentin hallitsevan jäähdytysaineen kemian ja lämpötilan mukaan, älä koko reaktoriluokkaan, koska yksi SMR-rakenne voi sisältää useita erilaisia ​​käyttöympäristöjä sen primääri- ja toissijaisissa järjestelmissä.

Taulukko 4. Komponenttitason-nikkeliseoksen valintaohjeet SMR-jäähdytysnesteympäristön mukaan. Lopullinen materiaalivalinta on vahvistettava tietyn reaktorin toimittajan hyväksymän suunnitelman ja lisenssiperusteen käyttämien ASME-koodiversioiden/kooditapausten perusteella.

Mikä on SMR:n käyttöönoton nykytila ​​ja miksi sillä on merkitystä materiaalin toimitusketjulle?

Vuodesta 2026 lähtien Yhdysvallat on siirtynyt paperisuunnittelusta aktiiviseen rakentamiseen ensimmäistä kertaa vuosikymmeniin, ja tämä muutos alkaa luoda todellista lähi-nikkeliseoksesta valmistettujen levyjen, putkien ja takomoiden kysyntää lyhyellä aikavälillä pelkän tutkimus-mittakaavan sijaan.

TerraPower sai ensimmäisen US Nuclear Regulatory Commissionin rakennusluvan kaupalliselle ei--kevylle-vesivoimalalle maaliskuussa 2026, ja sen natrium-jäähdytteinen Natrium-laitos Kemmererissä, Wyomingissa, murtui pian sen jälkeen. NuScale Powerin päivitetty SMR-suunnittelu on saanut NRC-hyväksynnän, ja laitokset, kuten Tennessee Valley Authority, ovat käynnistäneet usean -gigawatin SMR-käyttöönotto-ohjelmat.

X-energyn helium-jäähdytetty Xe-100 etenee NRC-tarkastelussa Teksasissa, ja Kairos Power jatkaa peräkkäisten fluoridi-suolajäähdytteisten testiyksiköiden rakentamista Tennesseessä. Suuret teknologiayritykset ovat erikseen allekirjoittaneet yli kymmenen gigawatin sitoutunutta kehittynyttä ydinkapasiteettia auttaakseen tekoälyn palvelinkeskusten kasvua, mikä on alalla uutta yksityistä sitoutumista.

Seosten ja komponenttien toimittajille tämä tarkoittaa, että tässä oppaassa jo käsitellyt nikkeliseoslaadut - Alloy 690, Alloy 617, Alloy 800H ja sulan-suolan-kestävä Hastelloy N -perhe - ovat siirtymässä ensisijaisesti akateemisista ja kansallisista testiohjelmista{{7} ensimmäinen-a-eräänlainen kaupallinen hankinta, jossa tehtaan testiraportin jäljitettävyydestä ja koodin-yhteensopivuudesta on tulossa lähi-ostovaatimus eikä tulevaisuuden harkinta.

Usein kysytyt kysymykset

Q: Voidaanko standardi 316 ruostumatonta terästä käyttää SMR-komponenteissa?

A: Kyllä, alhaisemman lämpötilan{0}}komponenteille. Tyypit 304H ja 316H ovat edelleen hyväksyttyjä ASME Section III, Division 5 materiaaleja, ja niitä käytetään edistyneissä reaktorirakenteissa aina, kun käyttölämpötila pysyy sallitulla -jännitysalueella - yleensä noin 550–650 asteeseen asti suunnittelun kestosta ja kuormituksesta riippuen. Tämän alueen yläpuolella niiden virumislujuus putoaa liian nopeasti usean vuosikymmenen suunnittelun kestoon, jolloin Alloy 617 ja Alloy 800H ottavat vallan.

Q: Mikä on korkein lämpötila, jonka ydinvoimakelpoinen{0}}nikkeliseos kestää?

A: Nykyisten ASME Section III, Division 5 kooditapausten mukaan Alloy 617 on pätevä rakentamiseen 954 astetta (1 750 astetta F) asti, mikä on korkein lämpötilaraja kaikista tällä hetkellä Yhdysvalloissa käytettäväksi luokitelluista materiaaleista. Todellinen komponenttien suunnittelulämpötila määräytyy tietyn reaktorin suunnittelun-perusanalyysin perusteella, ei pelkästään lejeeringin enimmäiskoodirajan mukaan.

Q: Miksi Hastelloy N:ää ei käytetä vielä lisensoidussa Yhdysvaltain kaupallisessa reaktorissa?

A: Ei siksi, että sen suorituskyky olisi epävarma - sillä on vuosikymmeniä kestäneet testit ja rajalliset käyttötiedot aina 1960-luvun sulasuolareaktorikokeesta -, vaan koska se ei ole vielä suorittanut virallista ASME Section III, Division 5 materiaalin kelpuutusprosessia, joka vaaditaan luvanvaraiseen kaupalliseen rakentamiseen Yhdysvalloissa. Kehittäjien, jotka haluavat sulaa-suolaa tai fluori{6}}suolaa-jäähdytettyä mallia, odotetaan noudattavan erityistä kooditapausta osana lisensointipolkuaan.

Q: Onko SMR-höyrygeneraattoreissa käytetty Alloy 690 erilainen kuin suurissa painevesireaktoreissa käytettävä Alloy 690?

A: Ei. Kevyt-veden SMR-mallit perustuvat yleensä samoihin ASME--hyväksyttyihin Alloy 690 -materiaalispesifikaatioihin, jotka on jo vahvistettu tavanomaiselle paineistettua-vesireaktorille, koska molemmat toimivat samalla primäärivesikemialla ja -lämpötila-alueella. Seos itsessään ei vaadi uutta korkean lämpötilan-kelpoisuutta tätä sovellusta varten.

Q: Kuinka kauan uuden materiaalin lisääminen ASME-ydinkoodiin yleensä kestää?

A: Historiallisesti, noin vuosikymmenen luokkaa ensimmäisellä--sen-tyyppisellä korkean lämpötilan-materiaalilla -, Alloy 617 -kooditapaukset kestivät suunnilleen näin kauan alkuperäisestä luokittelusta julkaisuun. ASME on sittemmin virtaviivaistanut tarkistustyönkulkuaan tästä työstä saatujen kokemusten perusteella, mutta vaaditun virumis-, väsymis- ja hitsattavuustietopaketin kokoaminen on edelleen nopeutta{7}}rajoittava vaihe kaikille uusille ehdokasmateriaaleille.