מחסור בדלק גרעיני

הקדמה: התפקיד הקריטי של האינטגרציה של קלדינג

כשלים בדלק גרעיני מהווים את אחד המנגנונים ההשפלה הבולטים ביותר בכורי מים קלים (LWRs) הקלדה משמשת כמכשול העיקרי של מוצרי חיכוך רדיואקטיביים; הכישלון שלה יכול להוביל לשחרור של רדיונוקלידים לתוך המינון הקר, הגדלת רמת הכיבוש, תוך הדבקה של מערכות הצמח, ואירועים חמורים, הפחתת בטיחות המונעת גם מעומסי דלק גרעיני, תוך כדי צמצום עלויות אבטחה מתוחכמות, ומניעה, תוך כדי צמצום יעילות תפעולית, לחץ אוויריות, ומניעה של אבטחה מבצעית את בטיחות בלתי מסובכות, ומניעה, ומניעה, מזרזת את יעילות ניהולית, תוך כדי צמצום יעילות ניהולית, תוך כדי צמצום יעילותה, לחץ אווירית, לחץ אווירית, לחץ אווירית, לחץ אווירית, ומניעה, ומניעה, לחץ אווירית, לחץ אווירית, ומניעה, לחץ אווירית, לחץ אווירית, לחץ אווירית, לחץ אווירית, ומניעה, תוך כדי צמצום יעילות ניהול דלק מבוזרת בטיחות מונעת, לחץ אווירית, לחץ אווירית, לחץ אווירית, לחץ אווירית, לחץ אווירית, ומניעה, לחץ אווירית, לחץ אווירית, לחץ אווירית, לחץ גרעיני, לחץ אווירית, ומניע

קורוזיה קלדינג היא תופעה מורכבת המושפעת על ידי הרכב החומרי, כימיה מגניבה, תנאי הקרנה, וטעינה מכנית. מאמר זה בוחן את המנגנונים של קורוזיה ב cladding zirconium-alloy, הגורמים מאיצים השפלה, שיטות זיהוי המדינה-של האמנות, ואסטרטגיות מניעה נוכחיות.זה גם מדגיש חומרים וטכניקות המבטיחות שיפורים נוספים באמינות מגובשת.

מהו דלק גרעיני?

ציפוי דלק גרעיני הוא הצינור החתומה המטמטית כי מזוודה של אורניום דו חמצני (UO2) או תחמוצת דלק מעורבת (MOX) pellets. הפונקציה העיקרית שלה היא להכיל גזים קשקשים רדיואקטיביים ומינים תנודתיים, למנוע את ההגירה שלהם לתוך מערכת קירור (Modern-Creca-co-to) כדי למלא תפקיד זה, cladding חייב לעמוד בסביבה הקשה בתוך הליבה: טמפרטורות החל מ-300 מעלות צלזיוס בפעולת נורמלי ל-1,000 ק"מ-C בתאונות אוויריות (דלקת מים) בתאונות מהירות) ו-חמצני (דלקתיות (דלקתיות) בתאונות מהירות) בתאונות מהירות) בתאונות מהירות גבוהה יותר מ-חמצני (מדבקות) בתאונות מים קרירות (דלקתיות (דלקתיות) בתאונות מים), או טמפרטורות).

סגסוגת מבוססת Zirconium - כגון Zircaloy-2, Zircaloy-4, M5® ו ZIRLOTM - הם תקן התעשייה בשל קליטת הניטריונים הנמוכה שלהם צולבת, כוח מכני מספיק, והתנגדות סבירה של קורוזיה.עם זאת, אפילו ⁇ ם מהונדסים המהנדסים הללו אינם חסינים מפני ההידרדרות.

סוגים נפוצים של קורוזיה בדלק גרעיני

קורוזיה של זירוקוניום-כלוי קלירינג באה לידי ביטוי במספר צורות, כל אחד עם מנגנונים ותוצאות נפרדים.שלוש הסוגים העיקריים הם חמצון, הידבקות, ועומס התמוטטות.

אוקסידציה

בסביבה עשירה בחמצן של כור, zirconium מגיב עם מים או קיטור כדי ליצור דוכן חמצני (ZrO2) ומימן:

Zr + 2H2O - ZrO2 + 2H2

שכבת תחמוצת הפחמן בתחילה מגנה על המתכת על ידי הפעלת מחסום דיפוזיה, להאט תגובה נוספת. עם הזמן, עם זאת, תחמוצת הפחמן גדלה עבה יותר, הופכת ל ⁇ , ועלולה לספוג, חשיפת מתכת טריה להתקפה מואצת.בכורים מים מחוננים (PWRs), קצב הקירור תלוי מאוד בכימיה קרירה (במיוחד ליתיום וביבורים) וטמפרטורה oxicated - ללא הדבקה מקומית.

Hydriding

הידרוגן שנוצר על ידי התגובה חמצון נספג חלקית לתוך מטריקס zirconium. כאשר התוכן מימן עולה על גבול הסולל מוצק (אשר יורד עם טמפרטורה), גליץ zirconium platlets precipitate. אלה hydride להפחית את הדלונות ואת השבר של קלדלינג, מה שהופך אותו יותר רגיש לפצח תחת לחץ מכני או תרמיל.

המחקר הנוכחי מתמקד בשליטה על איסוף מימן באמצעות תוספות ⁇ (למשל, חנקיום, tin) וקידוד טיפולים חום. ⁇ מודרני רבים להציג שברירי איסוף מימן (HPUF) מתחת 20%, בהשוואה ל- 40% עבור Zircaloy 2-2-2.

מתח קורוזיה (SCC)

קידוד מתח בלחיצת קלד מתרחש כאשר מתחים ברייליים – או שאריות מהמרקם או החל במהלך המבצע – עם סביבה קורוזית (למשל, יוד ממוצרים של משקעים או את התופעה הקרנית עצמה) מתחיל לעתים קרובות בפגמים חד-חמצני או hydrides. לאחר שהתחיל, סדקים יכולים להפיץ בין-ידיים או סגסוגת קרוגנית, כאשר הוא נפוץ, תחת סגסוגת רדיו (RCC) הוא נפוץ, הוא מכיל מגבלות קירור.

קורוזיה Nodular Corrosion

קורטוזיה Nodular כולל דיסקרטי, שלפוחית oxide דמוי שלפוחית שיכול לגדול עד כמה מאות מיקרומטר בקוטר.זה מתרחשת מעדיף באזורים עם לחץ מקומי גבוה או קירור לא חד-מיני במהלך ייצור. בעוד פחות נפוץ בסגסוגת המודרנית, זה נשאר דאגה לתכנוןי דלק ישנים יותר.

צל קורוזיה

קורוזיון הצללים הוא התקפה מקומית שנצפתה ב BWRs סמוך לרכיבי נירוסטה או Inconel (כגון רשתות חלל) הוא נחשב מונע על ידי אפקטים גליוניים ומימן רדיואקטיביים לדור תחמוצת.התופעה היא קוסמטית במקרים רבים אך יכול לתרום לריצוף מקומי דק.

גורמים מתקדמים לכישלונות קורוזיה

קורוזיה לעולם אינה נגרמת על ידי פרמטר יחיד; אלא היא נובעת ממשחק החומרים, הסביבה והתנאים התפעוליים.הבנת הגורמים הללו היא המפתח לפיתוח אסטרטגיות מידבקות יעילות.

כימיה מגניבה

ב PWRs, הקריר נשמר עם ריכוזים מבוקרים של חומצה בוריקת (עבור שליטה על פעילות מחדש) ו- Lithium hydroxide (עבור בקרת pH) יחס Li / B משפיע על הסוללה של מוצרי קורוזיה ואת שיעור של zirconium oxidation. Elevated Lithium יכול להאיץ את קורוזיון, במיוחד תחת טמפרטורה גבוהה וחשיפה מודרנית לשימוש בדלקת ריאות (Ric).

ב BWRs, הקריר הוא מים טהורים עם תוכן חמצן מבוקר. הידרוגן מים כימיה (HWC) הוא מועסק כדי להוריד את פוטנציאל ההקרוזי אלקטרוכימי (ECP), אבל זה גם מגביר את הלחץ חלקי מימן, פוטנציאל עלייה בשיעורי הידבקות. תוספת מתכת נובל (NMCA) הוצגה כדי לשפר את יעילות HWC ללא מימן מוגזם.

טמפרטורה וחום Flux

שיעורי אוקסידציה עוקבים אחר מערכת יחסים של Arrhenius עם טמפרטורה; עלייה של 10-20 מעלות צלזיוס יכולה להכפיל את קצב קורוזיה. Cladding פני השטח משתנה מ ⁇ 290 ° C ב PWRs ל ⁇ 285 ° C ב BWRs, אבל כתמים חמים מקומיים ממשלוח חום ירודה או אינטראקציה מלוטעת יכול לעלות על 350 מעלות צלזיוס.

השפעות מזעזעות

נויטרונים מהירים (E > 1 MeV) מתפזרים ממאגרים, יוצרים פגמים נקודתיים ודיסלוקציה אשר מגבירים את ההיקף של מינים. Irradiation גם פוגע בשכבה תחמוצת מגן, מה שהופך אותו ליותר חד-משמעי. יתר על כן, דלקת חנקן גורמת לשינויים במבנה ⁇ (למשל, חלקיקים דו-פזה שנייה, פירוק קרינה המושרה) או להשפעות דלקתיות פעילות של זיהום דלקתיות.

מתח מכני

מתחים סובסידיים מתהליך ייצור הצינור (התחתוך קר, אנמנלינג) משלבים עם לחצים תפעוליים מנפיחות של דלק, התרחבות תרמית, לחץ פנימי מוטה (PCI) במהלך משקולות כוח יכול ליצור מתחים פילים צונח כי להגדיל באופן משמעותי את אסטרטגיות ניהול דלק SCC רגישים.

מבנה חומרי ומיקרו-מבנה

אלמנטים של זיקוק ממלאים תפקיד מכריע.טין (Sn) נוספה היסטורית Zircaloy כדי לשפר את הכוח, אבל זה גם מגביר את שיעור חמצון ומניפסט מימן. ⁇ מודרני לעתים קרובות להפחית את tin ולהוסיף niobium (Nb), אשר משפר את עמידות קורוזיה ומפחית את רמת ההמולה והפצה של חלקיקים דו-פציולוגיים (למשל, ZR(Cne), השפעה סטנדרטית של חום (R) כגון התקפי חום).

גילוי ובדיקה של כשלי קורוזיה

גילוי מוקדם של קורוזיה קלודה חיוני כדי למנוע דליפות ולתכנן החלפת דלק בזמן.תעשיית הגרעין מעסיקה מגוון של טכניקות טיפול ובדיקה לאחר הפסקת הריון.

שיטות In-Inspection

• (FLT:0) בדיקה לשונית (UT): LT:1 גלי קול גבוהה ⁇ למדוד עובי cladding ויכול לזהות laminations, blisters hydroide, וסדקים. מערכות UT מודרנית שלבד-רי מאפשר סריקות מהירות, באורך מלא של מוטות דלק במאגרי דלק בילו.
• (FLT:0)Eddy Current Testing (ECT): LT:1 ⁇ אלקטרומגנטית מזהה קיר דק, סגסוגת תחמוצת, פגמים ליד-surface. ECT יעיל במיוחד לזיהוי קורוזיה נודולרית וקורוזיה צל.
• בדיקה מילולית (תחת מצלמות מים): ההרחבה החיצונית של oxide, דחיסה חיצונית, צבע ונפיחות הם אינדיקטורים בלתי ניתנים לערעור.
• (FLT:0) בדיקות מיפוי: FLT:1 Detecting גז שחרור על ידי חימום מוט חשוד וניתוח הרכב הגז מציין כישלונות קלושים, אם כי הבדיקה מתבצעת על פי אסיפות דלק הוסרו.

בדיקה אחרונה ב-PIE

לאחר השחרור, מוטות דלק נבחר לעבור ניתוח הרסני ולא הרסני בתאים חמים.טכניקות כוללות מתכת (למידת עובי תחמוצת וhydride מורפולוגיה), לסרוק מיקרוסקופית אלקטרונים (עבור ניתוח משטח שבור), ו X- X-ray diffraction (לאפיין שלבים חד-חמצני) PIE מספק הוכחה סופית למנגנוני קורוזיציה ומודלים חיזוי.

מעקב באינטרנט ב-Power Reactors

כמה כורים מתקדמים משלבים ניטור קורוזיה מקוון באמצעות בדיקות אלקטרו-כימיות וחיישנים פליטה אקוסטית. בעוד לא מודדים ישירות את קורוזיה קלודה, מערכות אלה לזהות שינויים בכימיה מגניבה (למשל, ריכוז מימן, מוליכות) המציינים פעילות קורוזיה חריגה במקום אחר במעגל הראשי.

אסטרטגיות מניעה ומייגציה

מאבק בכישלונות קורוזיה דורש גישה רב-מכוונת הכוללת פיתוח ⁇ , בקרה תפעולית ושקקטור בדיקה.

חומרים מתקדמים

ההקדמה של ⁇ חנקן-נושא (למשל, M5®, ZIRLOTM, Optimized ZIRLOTM) השתפרה באופן דרמטי בביצועי קורוזיה בהשוואה ל- Zcaloy-4 המסורתי, ⁇ אלה מדגימים עד 50% oxidation נמוך יותר והפחתה משמעותית של חומרי ניקוי מימן.

אופטימיזציה של כימיה מגניבה

ב PWRs, שליטה קפדנית של pH, ריכוז ליתיום, ומימן מבוזר הפך סטנדרטי. תוכניות לי / B מתואמת לשמור על pH יעד 300 של 6.9-7.2, אשר מקטין הן קורטוזיון קלוש ו deposition גס. רמות ההזרקה מימן מופחתים 2.0-4.5 pm ספציפי כדי לאזן את החמצן עם סיכון מתייבש BWR להשתמש מימן בשילוב עם ציפוי פנימי על ידי מתכת.

אסטרטגיות תפעוליות

שיעורי הגדלה של Power הם בקפידה כדי למנוע פרוצדורות PCI. Utilities ליישם "התחל רך" והגבלת עלייה כוח במהלך המחזור הראשון של דלק טרי.עיצובי דלק משלב אגן אטומי, chamfered הקצוות, ציפוי גרפיט פנימי דק (liner) כדי להפחית את הלחץ PCI.

קידודים מוגנים

החלת ציפויים דקים (למשל, כרום, אלומיניום, אלומיניום) אל פני השטח החיצוני הקלדינג הוא אזור מחקר פעיל.ציפוי Chromium הראו עמידות חמצון מעולה בסביבות קיטור עד 1200 מעלות צלזיוס וגם להפחית מימן באגרסיביות.עם זאת, ציפוי אחידות, דבקות תחת אי-דיאדה, ולהישאר אתגרים.

בדיקה אחרונה ב-Inspection and Fuel Surveillance

כל הצמחים הגרעיניים מיישמים תוכניות מעקב אשר בודקות מעת לעת מדגם מייצג של מוטות דלק. נתונים ממדיטה ומדליות המדידות הנוכחיות ניזונים למודלי קורוזיה המנבאים את מצב ההתקפישות של החיים.המידע הזה מנחה החלטות על שחרור דלק, מתפתל ומגבילי כוח.

כיוונים עתידיים ומחקר

דחיפה לשריפה גבוהה יותר (מעל 60 GWd / tU) ומחזורי דלק מורחבים ממשיכים לאתגר חומרים מחוסנים קיימים.מחקר מתמקד בשלושה תחומים עיקריים: ⁇ מתקדמות, מודלים מכניסטיים, ו ניטור מקוון.

• (FLT:0) Alloy Development:FLT:1 ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
• (FLT:0) מודלים של שלב-שדה לדמות צמיחה חד-חמצני, וכלים Computational כגון התיאוריה פונקציונלית צפיפות (DFT) ומודלים של שדות שלב מדמיינים את צמיחת ה- תחמוצת הפחמן, משקעים הידרופלופידים בקנה מידה אטומי.
• (FLT:0) דלקים אל-סובלנות: איור FLT 1 FeCrAl ו- SiC מתרוצצים מתקדמים לקראת פריסה מסחרית. FeCrAl cladding השלימה מספר קמפיינים של אי-דיור עם תוצאות קורוזיות מבטיחות. SiC מציע כוח עתיר יוצא דופן, אבל הגמישות וההיפוך שלו נותרו בעיות היברידיות (למשל, על גבי ה-SC) שנמצאות, הן מחוץ ל-Fc.
• (FLT:0) ניטור חיישן: FIRLT:1 חיישנים סיבים אופטיים ומערך פליטות אקוסטיות עשוי יום אחד לספק ניטור מצב בזמן אמת מבלי להסיר דלק מהלב, המאפשר תחזוקה חיזוי ותפעול מורחב בטוח.

מסקנה

כשלים קורוזיים בחיפוי דלק גרעיני נשארים אתגר טכני קריטי עבור הפעולה הבטוחה והכלכלית של צמחי כוח גרעיניים.המשחק של חמצון, הידבקות, והלחץ corrosion סדק תחת ההשפעות המשולבות של הטמפרטורה, אי-היתר גרעיני, וכימיה דורש הבנה עמוקה של חומרים מדעיים ופיסיקה.