בסביבה הקרובה של Boiling Water Reactor Cores

נביחות מים (BWRs) מהוות עמוד קריטי של הצי הגרעיני העולמי, המייצר כ-20% מהחשמל הגרעיני בעולם.בניגוד ליצרי מים מחוננים, BWRs מאפשרים למים להרתיח ישירות בליבת הכור, לייצר טורבינות קיטור המונעת על ידי עיצוב זה כוויות חומרים ייחודיים: רכיבים מרכזיים חייבים לסבול שילוב של נפיחות גבוהה, טמפרטורות גבוהות (כ 270 מעלות סביב סגסוגת מים), וחום גבוה, קריבה כימית עלולה להוביל, קריירציה אגרסיבית, סגסוגת אגרסיבית, לחץ כימי.

הבטחת עמידות ארוכת טווח של עומסי דלק, שליטה על מוטות, ליבת חצץ, וחומרה פנימית נוספת היא חובה הן עבור הכלכלה המבצעית והן על בטיחות.חומרים מסורתיים, תוך שנבדקו במשך עשרות שנים, עומדים בפני מגבלות ביצועים כמו בעלי צמח רודפים אחר כוח, מחזורי דלק ארוכים יותר, ורישיונות תפעוליים מורחבים מעבר ל-60 שנה.

אתגרים מניעים חדשנות חומרית

הבנת מצבי ההשפלה שרכיבי הליבה של BWR הם הכרחיים כדי להעריך מדוע דרושים חומרים חדשים.

  • (FLT:0) נזקי זוועות (FLT:1) - ההפגזה Neutron מבטלת את האטומים מתפקידיהם של הכטה, יצירת vacancies, בינאום, ומקבץ פגם.לאורך זמן זה מוביל לקשה, לריקנות, לנפיחות בנפח, לשינויים בהתנהגות המצוקה.
  • (FLT:0Corrosion ו-oxidationFreaLT:1) - ב- BWR קירור ראשוני (אשר מכיל מימן, חמצן, ועקבות זיהומים כמו אבץ או מתכות אציליות), ⁇ zirconium מהווים שכבת תחמוצת מגן.עם זאת, בתנאים מסוימים של כימיה מים (למשל, הזרקת מימן מחוץ ל-Sumchiometry), תחמוצת החמצן יכולה לפרק, להוביל, לדלקת מימן מואצת מימן ולהפחית את חומר מרתיעה.
  • (FLT:0) סטרס corrosion סדק (SCCIRFLT) 1:1 - פלדה אל-חלד Austenitic ⁇ s וסגסוגת המבוססת ניקל ב BWR פנימיים סבלו מ- SCC intergranular, במיוחד באזורים בעלי חום של עשבים או לאחר חישה.
  • (FLT:0 Wear and frettingFLT:1) - מוטות דלק עוברים רטט המושרה על ידי זרימה קרירה, המוביל לבלוט בין קלד לרשתות חלל. גריד-טו-roding הפך גורם מוביל לכשלי דלק ב BWR המודרני, במיוחד תחת מחזורים גבוהים.

כל אחד מצורות הכישלון הללו מטיל מגבלות תפעוליות ועלויות כלכליות.החיפוש אחר עמידות משופרת התמקד בצמצום אחד או יותר של מסלולי ההשפלה הללו באמצעות עיצוב ⁇ מתקדם, הנדסה מיקרו-מבנהית, וציפוי פני השטח.

חומרים חדשניים מעצבים מחדש את BWR Core Durability

הבא: Zirconium Alloys for Fuel Cladding

סגסוגת Zirconium כבר תקן התעשייה עבור קליטה דלק מאז שחר של כוח גרעיני מסחרי, בשל ⁇ neutron נמוך של ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ מים עתירה טובה עמידות מים קורוזיה מים סגסוגת מוקדם כגון Zircaloy-2 Zircaloy-4 כבר מעודן בהדרגה. BWRs להשתמש סגסוגת מתקדמת יותר כמו:

  • (FLT:0)ZIRLOTMSFLT:1 (Zirconium Low Oxidation) - מפותח על ידי ווסטינגהאוס, ZIRLO מכיל כ-1% חנקן, 1% tin, ועקב ברזל. תוספת niobium משפרת את ההתנגדות קורוזיה ומפחיתה איסוף מימן בהשוואה ל- Zircaloy-4, בעוד tin מחזק את ⁇ ZIRLO שימשה בשימוש נרחב לתנאי PWR.
  • (FLT:0)M5®igFLT:1 - ⁇ פטנט על ידי Areva (כיום Framatome) עם niobium ותוספות חמצן. M5® מדגים שיעורי קורוזיה נמוכים במיוחד ובחירת מימן בתנאי צמחי, המיוחסת להתפלגות אחידה של β-niobium precipitates.
  • (FLT:0E110 ו-E110GFLT:1) - גרסאות רוסיות (גם בשימוש ב-VVER/ European PWRs) שהן סגסוגת Zr-1%Nb עם תוכן נמוך מאוד.אלה נחשבים ליישומים BWR בשל התנגדות קורוזית גבוהה שלהם.
  • (FLT:0)Optimized ZIRLOTM (Genigue 2)FLT:1 - ההצתה האחרונה של ווסטינגהאוס עם niobium מעודן וריכוזי tin כדי להפחית עוד את שיעור החמצן ואת איסוף מימן, תוך שמירה על כוח מכני.

⁇ אלה להשיג את הביצועים משופרים שלהם באמצעות שליטה זהירה של חלקיקים דו-phase שנייה (SPPs), אשר לפעול כמו כיור פגמים קרינה להפחית את הניידות של איזוטופים מימן.על מחקרים מתקדמים חוקר הוספת כרום או ytrium כדי לייעל עוד יותר את טבע ההגנה של שכבת תחמוצת הפחמן.

Ceramic Matrix Composites for Control רודס ומבנה ליבה

מוטות בקרה ב BWRs חייבות לעמוד בלחץ תרמי גבוה, הקרנה, ומגע עם מים במהלך הוספת סרקם. סופגנים מסורתיים כמו בורון carbide (B4C) ב צינורות נירוסטה או לוחיות הטרוניום יש מגבלות, במיוחד בנפיחות והשפלה מכנית. Ceramic matrix מtrics (CMCs), במיוחד סיבי קרבד-inforcedbide (Side) מציעים אלטרנטיבה מהפכנית / C.

SiC / SiC מורכב מציג יכולת חום גבוהה מאוד, עמידות הלם תרמי מעולה, ספיגת נויטרונים נמוכה, ויציבות קרינה יוצאת דופן. הסיבים מעכבים סדקים, נותן להם פסאודו-חינוך וקשידות שבר הרבה יותר גבוה על מקרמיקה מונוליטית נמוכה. בתנאים של BWR, SiC / SiC בקרת חבורות יכול לפעול בנפיחות גבוהה יותר ללא מינונים או פריך, בנוסף להפחתה של חומרים אלה של נוזל חשמלי גבוה.

עם זאת, אתגרים גדולים בייצור ועלות נשארים מחסומים.המאמצים הנוכחיים מתמקדים בקידוד בין-מטרקס סיבים (למשל, באמצעות פחמן פיירוליטי או ציפויי בורון ניטריד) ומפתחים טכניקות מאגדות המשמרות את הכוח של המסובייק באוויר ובקיטור.

ניקל מבוסס Superalloys ו- Advanced Stainless Steels

פנים ליבה, כגון הליבה של חצץ, מדריך העליון, ותומכי דלק או ממוספרים, בדרך כלל מוטבעים מטיפוס 304 או 316 נירוסטה פלדה. אלה פלדה austenitic נוטה ללחץ מואשמת מכווץ קורוזיון (IASCC) בטמפרטורות גבוהות יותר של דלקת נגד דלקת ריאות, כמו כל 7182, 000 גרם לחוזק גבוה יותר, ו- 7Kyme, כבר לספק כוח גבוה יותר, 000.

עבור רבנודות גדולות (למשל 316LN (המכונה 316NG), מחלקה חדשה של חנקן גבוה, פלדות אל-חלד פחמן נמוך פותחה. לדוגמה, 316LN (המכונה גם 316NG) מכיל בערך 0.06-0.08% חנקן, אשר משפר באופן משמעותי את הכוח ובורחת ההתנגדות תוך שמירה על יכולת טובה.

אוקסיד Dispersion-Strengthened (ODS) Ferritic Alloys

פלדה ferritic, כגון 14YWT או MA956, נוצרים על ידי ⁇ מכנית של אבקה אוכרום-אלומיום-אלומה עם חלקיקים בגודל N2O3), חלקיקים חד-חמצני פועלים כמו כיור חזק מאוד של צינורות יציבים עבור פגמים הנגרמים על ידי קרינה, צמצום מאוד נפיחות ודימום.

הנדסה וטכנולוגיות מתקפלות

חלופה לפיתוח ⁇ גדול היא יישום ציפויים הגנה על רכיבי הליבה הקיימים. בעשור האחרון, עלייה של מחקר התמקדה ב-FLT:0chromium-coium claddinghouse 1 (Cr-coated) כדי להפחית את ה- Crosion ואת מימן הנת תחת תנאי תאונה (הדלק ה- so-expice-F), או ATF-Cre-coated סגסוגת מופחתת מאוד על ידי סגסוגת חשמלית-Creditated)

טכניקות ציפוי אחרות החלות על פנימי BWR כוללות:

  • (FLT:0) ציפויי תרסיסים של הרחם (HVOF, ארס פלזמה) ליישום שכבות עמידות לב כמו Cr3C2-NiCr או WC-Co על רשתות חלל, צמצום הקפאה ברשת-to-roding.
  • (ב) [ה]:0] ⁇ וציפוי הליביד [ה] על מנת להגן על פני השטח הפנימיים של צריחי הליבה מפני חמצון קיטור במהלך אירועים שאינם נורמליים.
  • (FLT:0)Graphene-reinforced ציפויים מורכבים מורכב מ-FLT:1 (עדיין תחת פיתוח מעבדה) המשלבים את ה- lubricity עם התנגדות קורוזיה לחלקים נעים כמו מדריכי מוטה שליטה.

טכנולוגיות מקוטבות מציעות את היתרון של לא לשנות את הניטרינוקים או את התכונות התרמיות של חומר הבסיס.עם זאת, הסמכה זהירה היא הכרחית כדי להבטיח כייד ציפוי תחת תנאי רכיבה תרמיים ומפחידים, כמו גם כדי למנוע דלמנטום או interdiffusion עם תת-התתער.

חומרים אוטונומיים וננו-מבנים: הגבול הבא

המטרה הסופית של עמידות הליבה של BWR היא לפתח חומרים שתיקון נזקים באופן פעיל הנגרמים על ידי קרינה או קורוזיה.מושגים של השמדה עצמית נחקרים בשני תחומים עיקריים:

(FLT:0) קרמיקה של קרמיקה קרמיקה (Falf-healingקרמיקה) 1 (ב- SiC/SiC / SiC מורכב, תוספת של שלבים oxidation-prone (כגון שלב Ti3SiC2 MAXs) יכול לקדם את סדקים בטמפרטורות גבוהות. כאשר סדק נפתח, שלב ה- MAX מחמצן כדי ליצור את אל2O3 או Ti2, אשר ממלא את התנאים של אוניברסיטת סיפרנקבייטבסטרדפסדפסדפסדפסד-MAX-MAX, אשר הוכיחו את התקפים תחת קיבולת המחקר של ctC.

(FLT:0)Nanostructured ⁇ s עם התאוששות דינמיות התחדשות 1 ; חלק סגסוגת ferritic ferritic סגסוגת (NFAs) מציג "ההההההההשמדה" של נזק קרינה ב nanoscale.הדחיסות הגבוהה של גבולות דגנים וננומטריד חלקיקים חד-חמצני יכול לשחזר סגסוגת כבדה או סגסוגת של סגסוגת, לאחר סגסוגת כבדה, ולאחר מכן, לאחר מכן להשחית אותם באמצעות שילוב של דיפוחיות גבוהה של סגסוגת או סגסוגת.

בעוד טכנולוגיות אלה עדיין בשלב המחקר המוקדם, הן מדגימות את הכיוון של מדע החומרי לקראת עמידות לאפסטיבית ולא עמידות פסיבית.ב-10 השנים הבאות, אם החומרים האלה הופכים להיות בעלי יכולת מסחרית, רכיבי הליבה של BWR יכולים להשיג תוחלת חיים של 80 שנים או יותר ללא תחליף אמצע החיים.

השלכות כלכליות ובטיחות של שינויים חומריים

אימוץ חומרים מתקדמים מתורגם ישירות להטבות תפעוליות:

  • (ב) ,0) שרוף דלק מנקה 1 (FLT: ⁇ ) - קליטה עמידת יותר מאפשרת מאגרי דלק להישאר בליבת זמן רב יותר, צמצום מספר הזיהומים ועלויות הדלק הכוללות.
  • (FLT:0) ,הסיכון לכשלי דלק 1 - קורוזיה משופרת ופגיעה בהתנגדות מפחיתה את שכיחות ההפרצות הקלות, אשר גורם לזיהום של המערכת הראשית ודורש ניקוי יקר.
  • (FLT:0) רכיב החיים FLT:1 - תגובות פנימיות שנעשו מפלדות אל-חלד גבוהה או Superalloys ניקל יכול לשרוד 60-80 שנים ללא תחליף, הימנעות פרויקטים גדולים הון כמו החלפת ליבה (אשר יכול לעלות מאות מיליוני דולרים ולהרחיב את זמני הזכאות).
  • (ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • (FLT:0) support עבור חשמל upratesFIRLT:1) - בעלי BWR יכולים להגיש בקשה להעלאת הפחתות הכוח המורחבת (EPU) אשר מגבירים את התפוקה התרמית ב-20% או יותר, תוך הצבת דרישות נוספות על חומרים. ⁇ מתקדם וציפויים יכולים להתמודד עם הטמפרטורות גבוהות יותר ושפעת נויטרונים ללא תקלות מוקדמות.

יוזמות גלובליות, כגון פורום הדור הרביעי ו-FLT:0 (Accident-Tolerant דלק התוכנית של משרד האנרגיה האמריקאי של מחלקת האנרגיה של ארה"ב 1), ממשיכות לממן את הפיתוח והבדיקה של חומרים אלה, עם צינור מחקר המוביל לפריסה מסחרית בתוך העשור הזה.

מסקנה

האבולוציה המתמשכת של חומרים עבור BWR הליבה מרכיבים מייצגת מסלול קריטי לקראת בטוח יותר, כלכלי יותר, וארוך יותר כוח גרעיני.מחדש מצטבר של ⁇ zirconium למבוא נועז של מרוקדים קרמיקה ו nanostructures עצמיים, כל התקדמות בונה על שיעורים של ניתוח וניתוח כשל.

ככל שהצי הגרעיני הגלובלי מזדמן והביקוש לחשמל נקי, אמין, גדל, הפריסה המוצלחת של חומרים חדשניים אלה יקבע ישירות האם BWRs יכולים להמשיך לפעול בבטחה וברווחה עבור עוד 40, 60, או אפילו 80 שנים.המשך ההשקעה במחקר חומרים - לצד בדיקה חזקה בתנאי BWR Prototypical - יש אחת האסטרטגיות היעילות ביותר עבור קיום הכור הקיים ומאפשר הדור הבא של כורים.