Maži moduliniai reaktoriai (SMR) ir nikelio lydiniai: kitos{0}}generacijos branduolinės medžiagos

Maži moduliniai reaktoriai (SMR) nėra tiesiog sumažintos{0}}įprastų slėgio{1}}vandens reaktorių versijos. Keletas pažangių konstrukcijų veikia karštiau, vietoj suslėgto vandens - naudojami skirtingi aušinimo skysčiai - helis, skysta natrio arba išlydyta fluorido druska - ir siekiama eksploatavimo trukmės bei darbo ciklų, kurie stumia konstrukcines medžiagas gerokai daugiau nei temperatūros ir korozijos apvalkalas, kuriam buvo tinkamas įprastinis branduolinės -nerūdijantis plienas.

Nikelio{0}}lydiniaiyra medžiagų šeima, kuri geriausiai gali užpildyti šį spragą, ir jie jau rodomi visoje pažangioje reaktoriaus tiekimo grandinėje: kaip garo generatoriaus vamzdeliai lengvo-vandens SMR, kaip tarpinė šilumokaičio medžiaga dujomis-aušinamiems projektams ir kaip kandidatė į pirminę -kilpų medžiagą druskos-aušinimo koncepcijose. Šiame vadove paaiškinama, kodėl nikelio lydiniai yra svarbūs SMR, kurios klasės jau yra kvalifikuotos, palyginti su vis dar kuriamomis, ir kaip galvoti apie medžiagų pasirinkimą įvairiose SMR technologijos klasėse.

Kas yra maži moduliniai reaktoriai ir kodėl jų medžiagų poreikiai skiriasi nuo įprastų reaktorių?

SMR apima kelias skirtingas reaktorių klases, kurių aušinimo skysčiai ir darbinė temperatūra labai skiriasi, ir būtent ši įvairovė - ne tik mažesnis dydis - lemia išplėstą nikelio lydinių vaidmenį.

„SMR“ apibūdina gamykloje{0}}pagamintą modulinį reaktorių, kurio galia paprastai mažesnė nei 300 MWe, tačiau terminas apima kelias iš esmės skirtingas technologijas. Lengvojo-vandens SMR (pvz., NuScale dizainas ir GE Hitachi BWRX{5}}300) naudoja tą pačią suslėgto arba verdančio vandens aušinimo skysčio chemiją kaip ir įprasti dideli reaktoriai ir veikia panašiame temperatūrų diapazone, todėl jie labai priklauso nuo nusistovėjusio branduolinio -klasio {nerūdijančiojo} plieno. skirtas konkretiems didelės apkrovos komponentams, pvz., garo generatoriaus vamzdeliams.

Aukštos{0}}temperatūros dujomis-aušinami reaktoriai arba HTGR (pvz., X-energy's Xe-100) naudoja helio aušinimo skystį ir TRISO dalelių kurą ir siekia daug aukštesnės išleidimo temperatūros, kad pagerintų šiluminį efektyvumą ir įgalintų pramoninių procesų šilumą. Natriu-aušinami greitieji reaktoriai (pvz., „TerraPower“ natrio konstrukcija) naudoja skystą metalinį aušinimo skystį esant vidutinei{7}}–-aukštai temperatūrai ir žemam slėgiui. Fluoru{10}}druskos-aušinami aukštos temperatūros reaktoriai arba FHR (pvz., „Kairos Power“ Hermes dizainas) cirkuliuoja išlydytą fluorido druską kaip aušinimo skystį aplink kietąjį TRISO akmenukų kurą, o tikrieji išlydytos druskos reaktoriai kurą ištirpina tiesiogiai cirkuliuojančioje druskoje. Kiekviena iš šių klasių savo struktūrinėse medžiagose pateikia skirtingą temperatūros, aušinimo skysčio chemijos ir neutronų aplinkos derinį.

1 lentelė. Tipinės SMR technologijų klasės, apytikslės darbinės temperatūros ir projektų pavyzdžiai. Skaičiai yra apibendrinti pagal reaktorių klases, kad būtų parodyta; konkretūs pardavėjo dizainai skiriasi, o oficialios specifikacijos turi būti patvirtintos pagal esamus pardavėjo ir reguliavimo dokumentus.

Kodėl pažangiems reaktoriams reikia nikelio lydinių, o ne standartinio nerūdijančio plieno?

Įprastas branduolinės -klasės austenitinis nerūdijantis plienas praranda per daug valkšnumo stiprumo ir atsparumo oksidacijai, viršijantis apytiksliai 550–650 laipsnių, per daugelį dešimtmečių, kurių reikalauja pažangūs reaktoriai, o nikelio lydiniai išplečia konstrukcijų tinkamumą iki 700–950 laipsnių diapazono, kurio reikia sūdyti {HTGR ir šiek tiek druskos.

Pagal ASME katilų ir slėginių indų kodekso III skyriaus 5 skyrius reglamentuoja aukštos temperatūros branduolinių komponentų kūrimą kiekviename pažangaus tipo reaktoriaus aušinimo skystyje. Dešimtmečius šiai paslaugai buvo tinkamos tik penkios medžiagos: 2,25Cr-1Mo ir vanadžio-modifikuotas 9Cr-1Mo feritinis plienas, 304H ir 316H tipų austenitinis nerūdijantis plienas ir daug{15}}nikelio turintis austenitinis8000. Iš jų tik Alloy 800H yra įvertintas kaip tikrai aukštos temperatūros, nežymiai šliaužiantis dizainas, artėjantis prie 760 laipsnių ir daugiau.

Virš maždaug 550–650 laipsnių standartinio 304H/316H nerūdijančiojo plieno leistinas projektinis įtempis smarkiai sumažėja, nes nuo laiko -priklausančios valkšnumo deformacijos - ne trumpalaikis išeiga arba tempiamasis stipris - tampa reguliuojančiu gedimo režimu, o chromo{{8} mažiau apsauginis chromo{{8} aukštos-temperatūros helio ar druskos aplinkoje. Nikelio lydiniai, tokie kaip Alloy 617, išsprendžia abi problemas: didesnis nikelio kiekis juose pagerina atsparumą šliaužimui ir angliavandenių (oksidavimo) atmosferai, todėl pagal 2019 m. ASME kodą kvalifikuota projektinė temperatūra pailgėja iki maždaug 954 laipsnių (1 750 laipsnių F).

Kurie nikelio lydiniai yra tinkami arba dar neįvertinami pažangių reaktorių statybai?

800H lydinys šiuo metu yra vienintelė nikelio{1}} medžiaga, turinti visą ilgalaikę ASME III skyriaus 5 skyriaus kvalifikaciją; 617 lydinys buvo pridėtas per du specialius kodo dėklus, o Alloy 690, Hastelloy N, GH3535 ir Alloy 709 atlieka tam tikrą vaidmenį, tačiau yra skirtinguose kvalifikacijos etapuose.

2 lentelė. Nikelio-guolis ir nikelio-gretimi lydiniai, susiję su pažangia reaktoriaus konstrukcija, apytikslė jų sudėtis ir dabartinė JAV kodo{5}}kvalifikacinė būsena. Kodo atvejų numeriai, temperatūros ribos ir kvalifikacijos būsena visada turi būti patikrinti pagal dabartinį ASME BPVC III skyriaus 5 skyriaus leidimą ir galiojančius taikomus kodų atvejus.

Kaip nikelio lydiniai veikia išlydytos druskos reaktoriaus aplinkoje?

Nikelio -molibdeno-chromo lydiniai, tokie kaip Hastelloy N ir GH3535, daug geriau atsparūs išlydyto fluorido druskos korozijai nei nerūdijantis plienas, nes juose mažas chromo kiekis riboja dominuojantį korozijos kelią - chromo išplovimas iš grūdelių ribų, o druska išsaugoma aukšta {{4} molibdeno temperatūra} stiprumo.

Išlydytos fluorido druskos, tokios kaip FLiBe (ličio fluoridas – berilio fluoridas) ir FLiNaK (ličio – natrio – kalio fluoridas), yra patrauklūs reaktoriaus aušinimo skysčiai dėl mažos neutronų sugerties, didelės tūrinės šiluminės talpos ir mažo darbinio slėgio, tačiau jie taip pat yra chemiškai agresyvūs daugumai struktūrinių lydinių. Dominuojantis skilimo mechanizmas yra ne bendras paviršiaus ataka, o selektyvus chromo išplovimas iš grūdelių ribų į druską, kurį skatina druskos redokso potencialas; tai gali palikti porėtą, chromo{1}}neturintį požeminį sluoksnį ir, veikiant įtempimui, paskatinti tarpkristalinę koroziją{2}}sutrūkimą.

Hastelloy N buvo sukurtas Oak Ridge nacionalinėje laboratorijoje XX amžiaus šeštajame–šeštajame dešimtmetyje, specialiai tam, kad atsispirtų šiam išlydyto druskos reaktoriaus eksperimento mechanizmui, ir jis - kartu su panašiu Kinijos sudėties GH3535, naudojamu tos šalies torio išlydytosios medžiagos -šeimos pirmaujančioje struktūrinėje-tyrimo programoje. fluoro{7}}druskos-aušinamų reaktorių koncepcijos. Kadangi šie lydiniai dar nebaigė ASME III sekcijos, 5 skyriaus kvalifikacijos kelio Jungtinėse Amerikos Valstijose, kūrėjai, siekiantys trumpalaikių FHR ir MSR projektų, paprastai planuoja sukurti specialų medžiagų kodo dėklą, palaikomą ilgalaikės korozijos ir mechaninių bandymų duomenimis, kaip dalį savo bendros licencijavimo strategijos.

Kaip nikelio lydiniai veikia helio{0}}aukštos temperatūros{1}}dujiniuose reaktoriuose?

Alloy 617 ir Alloy 800H yra pirmaujantys nikelio lydiniai, naudojami HTGR paslaugoms, nes abu sudaro stabilų, apsauginį chromo -oksido sluoksnį helie ir išlaiko naudingą valkšnumo stiprumą, gerokai viršijantį nerūdijančio plieno ribas, nors abu išlieka pažeidžiami dėl lėto anglies susidarymo arba dekarbonizavimo, jei helio aušinimo skystyje lieka priemaišų.

Gamybos helio aušinimo skystis HTGR niekada nėra visiškai grynas - anglies monoksido, vandenilio, metano ir drėgmės pėdsakai neišvengiami dėl degalų, grafito ir sistemos išmetimo -, o šios priemaišos gali paskatinti anglies susidarymą (anglies surinkimą, kuris suardo lydinį) arba jo balansą, jo praradimą ir susilpnėjimą (anglies susilpnėjimą) temperatūros. Alloy 800H turi dešimtmečių veikimo istoriją šioje aplinkoje, įskaitant ankstyvąsias HTGR demonstracines gamyklas, ir išlieka viena iš penkių originalių ASME III skyriaus 5 skyriaus medžiagų.

Lydinys 617 nuo 2000-ųjų vidurio buvo plačiai apibūdinamas kaip pagrindinis kandidatas į tarpinį šilumokaitį (IHX) - komponentą, kuris perduoda šilumą iš pirminio helio kontūro į antrinį procesą -, nes jis derina aukštesnę-temperatūros stiprumą nei lydinys 800H, tinkamas šilumokaičio šilumokaičio kodavimas ir ASME-apvalumas. N-898, kuris išplėtė kvalifikuotą 617 lydinio konstrukciją iki 954 laipsnių (1 750 laipsnių F).

Kokį vaidmenį lydinys 690 atlieka lengvo{1}}vandens-SMR?

Alloy 690 yra standartinė garo generatoriaus ir šilumokaičio vamzdžių medžiaga, skirta lengvo- vandens SMR konstrukcijoms, nes ji yra atspari pirminiam vandens įtempimo korozijos įtrūkimui (PWSCC), gedimo režimui, dėl kurio branduolinė pramonė nuo XX amžiaus devintojo dešimtmečio atitrūko nuo pirmtako Alloy 600.

Lengvo-vandens SMR, pvz., „NuScale“ dizainas ir „GE Hitachi BWRX-300“, daugumą medžiagų pagrindo paveldi tiesiogiai iš didelio-reaktoriaus suslėgto ir verdančio vandens parko, įskaitant 690 lydinio naudojimą visur, kur nikelis{5}}viso chromo{6 didelio-grynumo, aukštos-temperatūros pirminis vanduo, esant liekamajam įtempimui dėl lenkimo ar išsiplėtimo. 600 lydinys, naudotas ankstesnėse gamyklose, buvo jautrus PWSCC prie grūdų ribos, ilgą laiką{11}}naudojant, todėl visoje pramonėje reikėjo brangiai pakeisti garo generatorių.

690 lydinio daug didesnis chromo kiekis užtikrina stabilesnę, nuolatinę apsauginę oksido plėvelę esant tokioms pat vandens chemijos ir įtempių sąlygoms, o tai suteikia žymiai geresnį atsparumą įtrūkimams per dešimtmečius trunkančią naudojimo patirtį. Kadangi lengvojo-vandens SMR veikia toje pačioje temperatūroje ir vandens-chemijoje kaip ir įprastas PWR parkas, Alloy 690 vamzdeliai yra kvalifikuota, kodų -priimta medžiaga, o ne reikalauja naujų aukštos -temperatūros kvalifikacinių darbų, kurių reikia {{7} HTGR} ir dar druskos.

Kokie yra pagrindiniai skilimo mechanizmai, kuriuos nikelio lydiniai turi atsispirti SMR tarnyboje?

Dominuojantis skilimo mechanizmas skiriasi priklausomai nuo aušinimo skysčio: šliaužimas ir helio-priemaišų karbiuracija valdo dujomis-aušinamas konstrukcijas, chromo išplovimas reguliuoja išlydytą-druską, pirminis vandens įtempių korozijos įtrūkimas reguliuoja lengvą-vandens dizainą, o spinduliuotės{4}{{{{0}sukeliamas bet koks skersinis sraigtas lydinys, naudojamas didelio neutronų srauto padėtyje.

3 lentelė. Pagrindiniai skilimo mechanizmai, nikelio lydiniai turi būti atsparūs visose SMR aušinimo skysčio klasėse ir pagrindinės konstrukcijos arba metalurgijos mažinimo priemonės, naudojamos dabartinėje praktikoje.

Kaip ASME III skyriaus 5 skyrius atitinka naujos medžiagos reikalavimus naudoti pažangiuose reaktoriuose?

Nauja branduolinė konstrukcinė medžiaga pereina iš kandidato į kvalifikuotą statusą, taikant oficialų ASME kodo{0}}atvejo procesą, kuriam reikalingas didelis kelių- metų duomenų paketas apie šliaužimą, tempimą ir nuovargį numatytame eksploatavimo temperatūros diapazone, kurį peržiūri ir išbalsavo atitinkamas ASME pakomitetis, kad ją būtų galima naudoti licencijuotai statybai.

ASME III skyriaus 5 skyrius buvo paskelbtas siekiant sujungti aukštos temperatūros branduolinės statybos taisykles visų tipų pažangiems reaktorių aušinimo skysčiams į vieną skyrių, remiantis projektavimo metodais, iš pradžių sukurtais natrio{2}} aušinamiems reaktoriams. Pridedant naują medžiagą -, kaip buvo lydinio 617 - atveju, medžiagos gamintojas arba pramonės konsorciumas turi surinkti A klasės projektavimo duomenų paketą, apimantį tempimo ir valkšnumo -plyšimo savybes numatytame temperatūros diapazone, izochroninio įtempio{7}}įtempimo kreives, skirtas aukštos-temperatūros ir sąveikos duomenims, nuovargiui ir nuovargiui suvirinamumo informacija, visa sukurta pagal kodekso „Naujų medžiagų projektavimo duomenų poreikių gaires“.

Tada ASME katilų ir slėginių indų komitetas peržiūri ir balsavo šį paketą prieš paskelbdamas oficialų kodo atvejį; Alloy 617 kodo atvejai užtruko maždaug dešimtmetį apibūdinimo darbo, nors ASME nuo to laiko supaprastino tolesnių medžiagų peržiūros ciklą, remdamasi įgytomis pamokomis. Šis procesas yra pagrindinė priežastis, dėl kurios kai kurie struktūriškai perspektyvūs nikelio lydiniai, tokie kaip Hastelloy N, išlieka kandidatais, o ne kvalifikuotomis medžiagomis JAV licencijuotoms statyboms, nors jų korozija ir mechaninis elgesys buvo tiriamas dešimtmečius.

Kurį nikelio lydinį turėtumėte nurodyti savo pažangiam reaktoriaus komponentui?

Lydinį suderinkite su konkretaus komponento aušinimo skysčio chemija ir temperatūra, o ne su visa reaktoriaus klase, nes viena SMR konstrukcija gali apimti kelias skirtingas veikimo aplinkas pirminėje ir antrinėje sistemose.

4 lentelė. Komponentų-lygio nikelio lydinio pasirinkimo gairės pagal SMR aušinimo skysčio aplinką. Galutinis medžiagos pasirinkimas turi būti patvirtintas pagal konkretaus reaktoriaus pardavėjo patvirtintą projektą ir ASME kodo leidimą / kodo atvejus, kuriais remiasi licencijavimo pagrindas.

Kokia yra dabartinė SMR diegimo būklė ir kodėl tai svarbu medžiagų tiekimo grandinei?

Nuo 2026 m. Jungtinės Valstijos pirmą kartą per dešimtmečius perėjo nuo popierinio dizaino prie aktyvios statybos ir šis pokytis pradeda kurti realią artimiausią -branduolinio nikelio lydinio plokščių, vamzdžių ir kaltinių gaminių paklausą, o ne tik mokslinių tyrimų-mastų kiekį.

2026 m. kovo mėn. „TerraPower“ gavo pirmąjį JAV Branduolinės reguliavimo komisijos leidimą statyti komercinį ne-lengvąjį-vandens elektrinį reaktorių, o netrukus po to sulaužė savo natriu-aušinamą natrio gamyklą Kemereryje, Vajominge. „NuScale Power“ patobulintas SMR dizainas gavo NRC patvirtinimą, o komunalinės paslaugos, įskaitant Tenesio slėnio valdžią, pradėjo kelių{7}}gigavatų SMR diegimo programas.

X-energetikos heliu-aušinamas Xe-100 tęsiamas per NRC peržiūrą Teksaso vietoje, o Kairos Power tęsia nuoseklių fluoro-druska aušinamų bandymų blokų statybą Tenesyje. Didelės technologijų įmonės atskirai pasirašė daugiau nei dešimt gigavatų pažangių branduolinių pajėgumų, kad padėtų dirbtinio intelekto duomenų centrų augimui, o tai yra privataus įsipareigojimo mastas, kuris yra naujas pramonei.

Lydinių ir komponentų tiekėjams tai reiškia, kad šiame vadove jau aptartos nikelio lydinio rūšys - Alloy 690, Alloy 617, Alloy 800H ir išlydyta-druskai-atspari Hastelloy N šeima - pereina nuo visų pirma akademinių ir laboratorinių bandymų programų{{7}. pirmasis---komercinis pirkimas, kai gamyklos bandymo ataskaitos atsekamumas ir kodo-atitikties laikymasis tampa artimiausiu-pirkimo reikalavimu, o ne būsimu svarstymu.

Dažnai užduodami klausimai

Q: Ar standartinis 316 nerūdijantis plienas gali būti naudojamas SMR komponentuose?

A: Taip, žemesnės temperatūros{0}}komponentams. 304H ir 316H tipai išlieka kvalifikuotos ASME III skyriaus 5 skyriaus medžiagomis ir yra naudojami pažangiuose reaktorių projektuose, kai eksploatavimo temperatūra neviršija leistino -įtempių diapazono -, paprastai iki maždaug 550–650 laipsnių, priklausomai nuo projektinės eksploatacijos trukmės ir apkrovos. Virš šio diapazono jų valkšnumo stiprumas per greitai krenta, kad būtų galima naudoti kelis dešimtmečius, o tada perima Alloy 617 ir Alloy 800H.

Q: Kokią aukščiausią temperatūrą gali atlaikyti branduolinis{0}}kvalifikuotas nikelio lydinys?

A: Pagal dabartinius ASME III skyriaus 5 skyriaus kodo atvejus, lydinys 617 yra tinkamas statyti iki 954 laipsnių (1 750 laipsnių F), o tai yra aukščiausia temperatūros riba iš bet kurios medžiagos, kuri šiuo metu yra tinkama JAV branduolinei statybai. Faktinė komponento projektinė temperatūra nustatoma pagal konkretaus reaktoriaus konstrukcijos{9}}pagrindinę analizę, o ne tik pagal didžiausią lydinio kodo ribą.

Q: Kodėl Hastelloy N dar nenaudojamas licencijuotame JAV komerciniame reaktoriuje?

A: Ne todėl, kad jo veikimas abejotinas -, jis turi dešimtmečius trukusių bandymų ir ribotus eksploatacinius duomenis, siekiančius septintojo dešimtmečio išlydytos druskos reaktoriaus eksperimentą -, bet todėl, kad jis dar nebaigė formalaus ASME III skyriaus 5 skyriaus medžiagų kvalifikavimo proceso, reikalingo licencijuotoms komercinėms statyboms Jungtinėse Valstijose. Tikimasi, kad kūrėjai, ieškantys išlydyta-druska ar fluoro{6}}druska-aušinamo dizaino, vykdys tam skirtą kodo atvejį, kaip dalį savo licencijavimo.

Q: Ar SMR garo generatoriuose naudojamas Alloy 690 skiriasi nuo Alloy 690, naudojamo dideliuose PWR?

A: Ne. Lengvojo-vandens SMR konstrukcijos paprastai remiasi tomis pačiomis ASME-kvalifikuotų Alloy 690 medžiagų specifikacijomis, kurios jau nustatytos įprastiniam suslėgto vandens Pačiam lydiniui šiai programai nereikia naujos aukštos temperatūros{6}}kvalifikacijos.

Q: Kiek paprastai užtrunka naujos medžiagos įtraukimas į ASME branduolinį kodą?

A: Istoriškai apytikriai dešimtmetį, kai pirmoji --toks-rūšis aukštos-medžiagos -, lydinio 617 kodo atvejai užtruko maždaug tiek laiko nuo pradinio apibūdinimo iki paskelbimo. Nuo to laiko ASME supaprastino savo peržiūros darbo eigą, remdamasi tų pastangų pamokomis, tačiau reikiamo šliaužimo, nuovargio ir suvirinamumo duomenų paketo surinkimas išlieka greitį{7}}ribojančiu žingsniu bet kuriai naujai kandidatinei medžiagai.