Il successo operativo di un impianto nucleare è fondamentalmente legato alla prestazione dei suoi materiali strutturali. Mentre i sistemi di sicurezza e fisica dei reattori sono essenziali, le migliaia di tonnellate di acciaio che formano i vasi di pressione, tubazioni, generatori di vapore e strutture di contenimento devono sopportare un ambiente operativo eccezionalmente aggressivo per 40, 60, o anche 80 anni. La selezione di specifici gradi di acciaio è una disciplina altamente specializzata nell'ingegneria nucleare, bilanciando la forza meccanica, la resistenza alla corrosione, la tolleranza alle radiazioni e la tolleranza primaria e la rigida.

Le richieste fondamentali di scienze dei materiali degli ambienti nucleari

L'ambiente operativo all'interno di un reattore nucleare è unico nel mondo dei materiali industriali. I componenti devono sopportare alte temperature, pressioni elevate, fluidi corrosivi e un flusso intenso di neutroni ad alta energia. I meccanismi di degradazione specifici per il servizio nucleare includono embrionamento di irradiazione,

Irradiazione embrionale si verifica quando i neutroni spostano gli atomi dalle loro posizioni reticolari, creando vacanzie, interstiziale e loop dislocazione. Nel tempo, questi difetti induriscono l'acciaio riducendo contemporaneamente la sua duttilità e la resistenza alla frattura, spostando la temperatura di transizione duttile-to-briciole (DBTT) verso l'alto.

  • Resistenza all'irradiazione neutronica (minimizzare il cambiamento DBTT e il gonfiore del vuoto)
  • Resistenza alla corrosione acquosa e ad alta temperatura (SCC, IGSCC, pitting)
  • Proprietà meccaniche monotoniche e cicliche (forza, duttilità, stanchezza)
  • Resistenza alla frattura attraverso l'intervallo di temperatura di esercizio
  • Facilità (saldabilità, formabilità, risposta al trattamento termico)

Classificazione degli acciai nucleari-classici

Le qualità di acciaio utilizzate nelle centrali nucleari possono essere classificate in quattro famiglie, ciascuna delle quali serve una serie specifica di componenti basati sulla temperatura di esercizio, sulla pressione e sul flusso di neutroni. Queste famiglie sono definite dalla loro chimica, microstruttura e caratteristiche di prestazione, regolate da standard quali il codice di saldatura e di pressione ASME (sezione II e III), le specifiche francesi RCC-M e ASTM.

  • Acciaieria a basso contenuto di lega:[] Usati per grandi componenti strutturali come i recipienti a pressione del reattore (RPV) e i generatori di vapore conchiglie, offrono elevata resistenza e resistenza con una buona resistenza all'irradiazione quando la chimica è strettamente controllata.
  • Austenitic Steels:[] I materiali primari per tubazioni del refrigerante del reattore, pompe, valvole e strutture interne del nucleo.
  • Leghe a base di Nichel:[] Selezionate per gli ambienti di corrosione più esigenti, come i tubi e le penetrazioni del generatore di vapore, offrono una resistenza superiore alla SCC e alla resistenza ad alta temperatura.
  • Acciai Martensitici e Ferritici ad alto cromo: I principali candidati per reattori e applicazioni di fusione Gen-IV, premiati per la loro resistenza ai striscianti a temperature elevate e per un ridotto gonfiore sotto dosi ad alta neutroni.

Analisi dettagliata dei gradi principali dell'acciaio

Acciaio per la produzione di navi da trasporto: SA-533 e SA-508

Il recipiente di pressione del reattore (RPV) è il singolo componente più critico in un reattore ad acqua leggera. Non è sostituibile, e la sua integrità definisce la durata della pianta con licenza. I materiali stabiliti per RPV sono SA-533]] (una piastra di acciaio basso contenuto di Mn-Mo-Ni[5] e la sua controparte di forgia F]

SA-533 Grade B Classe 1 è il cavallo di lavoro della flotta PWR e BWR. La sua composizione chimica è strettamente limitata ad ottimizzare le proprietà meccaniche e la resistenza all'irradiazione. I limiti tipici includono lo 0,25% di carbonio, il 1,15-1,50% di manganese, lo 0,45-0,60% di molibdeno e lo 0,0-00° di nichel.

I reattori di calore avanzati di RPV (in inglese) e di RPV (in inglese) sono in grado di ridurre il rischio di inasprire il rumore e di ridurre il rumore.

Acciaio inossidabile del circuito primario: 316L e 304L

Gli acciai inossidabili austenitici, in particolare i gradi a basso tenore di carbonio 316L] e 304L, sono i materiali standard per la perforazione di carbonio di classe 1 e classe 2, i pressurizer e le involucri di pompa primaria.

316L] è spesso preferito per i componenti esposti a concentrazioni di cloruro più elevate o ambienti locali più aggressivi a causa della sua aggiunta di molibdeno del 2-3%, che migliora significativamente la resistenza alla corrosione di tubazione e crespo.

Generatore di vapore Materiali: Lega 690 e Lega 800

I tubi a vapore rappresentano il limite di pressione primaria tra il refrigerante del reattore radioattivo e il sistema di vapore non radioattivo. Le perdite qui portano a perdita di potenza e potenziali preoccupazioni di sicurezza. Storicamente, la lega 600 (Ni-15Cr-8Fe) era la norma, ma diffusa incrinatura di corrosione di sforzo dell'acqua primaria (PWSCC) ha costretto l'industria a passare a materiali più resistenti.

La lega 690TT offre una resistenza superiore a PWSCC e SCC caustico grazie al suo alto contenuto di cromo, che promuove uno strato di ossido di protezione stabile. È caratterizzato da una microstruttura completamente austenitica e ad alta resistenza. La produzione di tubi comporta il disegno a freddo, seguito da un trattamento termico a circa 715°C, che ottimizza la precipitazione del carburo ai confini del grano, migliorando ulteriormente la resistenza SCC R.

Ingegneria del processo di selezione dei materiali

La scelta di un grado d'acciaio per una componente nucleare richiede la navigazione di uno spazio di scambio complesso. Nessuna lega singola ottimizza tutte le proprietà; la selezione deve essere adattata alle specifiche condizioni di stress, temperatura e irradiazione del componente.

Controllo di danni e chimica

Per gli acciai RPV, la riduzione degli elementi residui è la regola del design primario. Il rame, il fosforo, la stagno e l'arsenico devono essere strettamente limitati. Il programma di sorveglianza, mandato da codici come ASME Sezione XI, prevede il prelievo di campioni di finestra trazione e Charpy collocati all'interno del recipiente RPV per misurare direttamente il passaggio indotto dalla radiazione nella vita della pianta.

Mitigazione di Stress Corrosion Cracking

La chimica vegetale (controllo del pH con acido borico arricchito e idrossido di litio in PWRs, ossigeno basso in BWRs) è parte integrante delle prestazioni della lega. Per i componenti esposti a stress ad alta tensione e chimica aspra, come il meccanismo di trasmissione dell'alloggiamento dell'alloggiamento di controllo (CRDM)

Contratti di saldatura e di fabbricazione

La formula equivalente al carbonio (CE) viene utilizzata per valutare il rischio di cracking a freddo indotto dall'idrogeno in acciai a basso contenuto di lega. Per sezioni spesse, preriscaldamento, controllo della temperatura di interpass, e PWHT sono rigorosamente regolati da registri di qualifica di procedura di saldatura (WPQRs).

Regimi di garanzia della qualità, test e certificazione

La classificazione della sicurezza di un componente detta il livello di garanzia della qualità. ASME Sezione III e NQA-1 definiscono i rigorosi requisiti per i componenti di tenuta della pressione. La verifica è stabilita attraverso la distruzione di test di coupon e l'esame non distruttivo del prodotto finito.

Ripartizione dell'acciaio e dell'ingombro

Tutti gli acciai nucleari devono essere fabbricati con una definita "Melt Practice". Questo comporta in genere la fusione del forno elettrico ad arco (EAF), seguita dalla decarburazione dell'ossigeno argon (AOD) o la decarburazione dell'ossigeno sottovuoto (VOD) per gli acciai inossidabili, e la degassificazione dell'arco sotto vuoto (VAD) per gli acciai a basso contenuto di lega.

Validazione della resistenza meccanica e frattura

Il test è esteso e altamente specifico. Il test di temperatura più rapido è effettuato attraverso una gamma di temperature per stabilire la curva completa del DBTT .

Esame non distruttivo e conformità al codice

Il test di superficie di ispezione volumetrica di un centinaio di per cento è richiesto per i componenti di classe 1 Il test di integrità di tipo ultrasottile (UT)[FLT][FLT] è utilizzato per i prodotti di piastra per rilevare le laminazioni e le inclusioni dei tubi di vapore

Tendenze emergenti nei materiali nucleari

La spinta globale per i reattori avanzati ha accelerato lo sviluppo della lega. I reattori di generazione IV, i dispositivi di fusione e i microreattori richiedono materiali in grado di sopravvivere dosi e temperature molto più elevate rispetto agli acciai LWR attuali.

Acciaio rinforzato (ODS) di dispersione dell'ossido

Gli acciai ODS, come MA956 o PM2000, contengono una dispersione nanoscala di yttria (Y]2]O3]) particelle in una matrice ferritica di costo. Queste particelle agiscono come lavandini per difetti di punto indotto da radiazioni e dislocazioni del perno, fornendo un'eccellente resistenza a entrambi i costi disconversione 700 °

Leghe ad alta immissione (HEA)

Gli HEAs rappresentano un cambiamento di paradigma nel design delle leghe. Invece di un singolo elemento di base (Fe, Ni, Co), sono costituiti da proporzioni quasi uguali di diversi elementi. Leghe come CrMnFeCoNi (Leghe dei cantori) presentano una resistenza eccezionale alla frattura a temperature criogeniche e sotto irradiazione, alcune che mostrano una capacità di "auto-guarigione" attraverso la diffusione a raggi ultra-prote.

Produzione avanzata / produzione additiva (AM)

La fusione del letto a polvere laser (L-PBF) e la deposizione diretta dell'energia (DED) sono state sviluppate per fabbricare componenti complessi con microstrutture controllate. Ciò è particolarmente promettente per interni su misura, geometrie di campioni di sorveglianza personalizzati, e scorrendo parti in-core dove la riduzione dei tempi di piombo e dei rifiuti è fondamentale. L'IAEA ha messo in evidenza AM come una tecnologia chiave per la catena di alimentazione SLT:1MR].

Sintesi

L'integrità e la longevità di un impianto nucleare sono costruite su una base di gradi di acciaio altamente specializzati. Dai pesanti acciai a basso tenore di lega del recipiente di pressione del reattore, la cui chimica deve essere controllata alle parti per milione per limitare l'embrittlement di irradiazione, alle lega di neutroni austenitico e nichel-based utilizzate per i generatori di tubazioni e vapore, che devono resistere a screpolature di corrosione rigorose per decenni, ogni materiale è esattamente specificato.