Ti reyaktè modilè (SMRs) ak alyaj nikèl: materyèl pou pwochen -Jenasyon nikleyè

Ti réacteurs modilè (SMRs) yo pa senpleman echèl-vèsyon reyaktè konvansyonèl dlo presyon-. Plizyè konsepsyon avanse pi cho, sèvi ak diferan awozaj - elyòm, sodyòm likid, oswa sèl fliyò fonn olye pou yo presyon dlo - ak vize lavi sèvis ak sik devwa ki pouse materyèl estriktirèl byen pi lwen pase tanperati ak anvlòp korozyon ke klas nikleyè konvansyonèl asye pur te kalifye pou.

Nikèl-alyaj ki baze souse fanmi materyèl ki pi byen pozisyone pou fèmen espas sa a, epi yo deja parèt atravè chèn ekipman pou reyaktè avanse: kòm tib dèlko vapè nan SMR dlo lejè-, kòm materyèl echanjeur chalè entèmedyè nan konsepsyon ki refwadi gaz-, ak kòm kandida prensipal-materyèl bouk nan konsèp refwadi sèl{{3}. Gid sa a eksplike poukisa alyaj nikèl enpòtan pou SMR, ki klas ki deja kalifye nan kòd-parapò ak ki toujou nan devlopman, ak kijan pou panse sou seleksyon materyèl nan diferan klas teknoloji SMR yo.

Ki sa ki ti reyaktè modilè, e poukisa materyèl yo bezwen diferan de reyaktè konvansyonèl yo?

SMR yo kouvri plizyè klas reyaktè diferan ak likid refwadisman ak tanperati opere trè diferan, epi se divèsite sa a - pa sèlman pi piti gwosè - ki kondwi wòl elaji pou alyaj nikèl.

"SMR" dekri yon faktori-fabrike, reyaktè modilè jeneralman anba 300 MWe, men tèm nan kouvri plizyè teknoloji fondamantalman diferan. SMR dlo limyè -(tankou konsepsyon NuScale ak BWRX-300 GE Hitachi a) sèvi ak menm chimi awozaj dlo presyon oswa bouyi ak gwo reyaktè konvansyonèl yo epi yo fonksyone nan yon seri tanperati ki sanble, kidonk yo depann anpil sou klas nikleyè ki etabli asye pur ak alyaj ki ba espesifik ak alyaj ki ba nikleyè. tankou tib dèlko vapè.

Gwo -tanperati gaz-rektè ki refwadi, oswa HTGRs (tankou X-enèji Xe-100), sèvi ak awozaj elyòm ak gaz patikil TRISO epi vize tanperati priz ki pi wo pou amelyore efikasite tèmik epi pèmèt aplikasyon chalè pwosesis endistriyèl. Sodyòm-rektè vit refwadi (tankou konsepsyon Natrium TerraPower a) itilize likid refwadisman metal nan tanperati modere-a-wo ak presyon ki ba. Fliyò-sèl-rektè segondè tanperati ki refwadi, oswa FHR (tankou konsepsyon Hermes Kairos Power a), sikile sèl fliyò fonn kòm yon awozaj alantou gaz solid TRISO ti wòch, pandan y ap reyaktè sèl fonn fonn gaz la dirèkteman nan yon sèl sikile. Chak klas sa yo mete yon konbinezon diferan de tanperati, chimi awozaj, ak anviwònman netwon sou materyèl estriktirèl li yo.

Tablo 1. Klas reprezantatif teknoloji SMR, tanperati opere apwoksimatif, ak egzanp konsepsyon. Chif yo jeneralize pa klas réacteurs pou ilistrasyon; konsepsyon vandè espesifik yo varye epi espesifikasyon ofisyèl yo ta dwe konfime kont vandè aktyèl la ak dokiman regilasyon.

Poukisa Réacteurs Avanse Bezwen Alliages Nikèl Olye de Creole Nerjaveèi?

Konvansyonèl nikleyè-klas asye pur austenitic pèdi twòp fòs ranpe ak rezistans oksidasyon pi wo a apeprè 550-650 degre pou plizyè -deseni konsepsyon lavi reyaktè avanse yo mande, ak alyaj nikèl pwolonje sèvis estriktirèl ki ka itilize pi lwen nan seri a 700-950 degre ke HTGR bezwen ak kèk konsepsyon sèl{6}}.

Dapre Kòd ASME Chodyè ak Veso Presyon, Seksyon III, Divizyon 5 gouvène konstriksyon konpozan nikleyè tanperati ki wo -nan tout kalite refwadisman avanse réacteurs. Pandan plizyè dizèn ane, sèlman senk materyèl te kalifye pou sèvis sa a: 2.25Cr-1Mo ak vanadyòm-modifye 9Cr-1Mo asye feritik, Kalite 304H ak 316H asye pur austenitic, ak segondè-nikèl austenitic AlloHy. Nan sa yo, sèlman Alloy 800H se rated pou vrèman wo-tanperati, neglijab-ranpe konsepsyon apwoche 760 degre ak pi wo a.

Pi wo pase apeprè 550-650 degre, estrès konsepsyon admisib estanda 304H/316H Nerjaveèi asye a tonbe sevè paske tan -depandan deformation fluaj {- pa kout -sedeman tèm oswa fòs rupture - vin tounen mòd echèk ki gouvène asye pur, epi tou chrome {8} echèl} pwoteksyon nan -tanperati elyòm oswa anviwònman sèl. Alyaj nikèl tankou Alloy 617 rezoud tou de pwoblèm: kontni nikèl ki pi wo yo amelyore rezistans nan ranpe ak nan atmosfè karburizan / oksidasyon, pwolonje tanperati konsepsyon kalifye jiska apeprè 954 degre (1,750 degre F) anba yon ka kòd ASME 2019.

Ki alyaj nikèl ki kalifye oswa ki anba evalyasyon pou konstriksyon reyaktè avanse?

Alloy 800H se kounye a sèlman nikèl -materyèl ki baze sou ak konplè, ki dire lontan ASME Seksyon III, Divizyon 5 kalifikasyon; Yo te ajoute Alloy 617 atravè de ka kòd dedye, pandan y ap Alloy 690, Hastelloy N, GH3535, ak Alloy 709 chak jwe yon wòl men chita nan diferan etap nan chemen kalifikasyon an.

Tablo 2. Nikèl-kote ak nikèl-alyaj adjasan ki gen rapò ak konstriksyon reyaktè avanse, konpozisyon apwoksimatif yo, ak estati kalifikasyon aktyèl yo nan kòd US-. Nimewo ka Kòd, limit tanperati, ak estati kalifikasyon yo ta dwe toujou verifye kont aktyèl ASME BPVC Seksyon III, Divizyon 5 edisyon ak ka kòd ki aplikab an fòs.

Ki jan alyaj nikèl fè nan anviwònman reyaktè sèl fonn?

Nikèl-molybdène- alyaj Kwòm tankou Hastelloy N ak GH3535 reziste kowozyon sèl fliyò fonn pi byen pase asye pur paske kontni ki ba Kwòm yo limite chemen korozyon dominan - Kwòm lesivaj soti nan fwontyè grenn jaden yo nan sèl la - pandan y ap prezève fòs molybdène{5}tanperati segondè{5}.

Sèl fliyò fonn tankou FLiBe (ityòm fliyò-berilyòm fliyò) ak FLiNaK (ityòm-sodyòm-florid potasyòm) se awozaj reyaktè atire paske yo ba absòpsyon netwon yo, gwo kapasite chalè volumetrik, ak presyon opere ki ba, men yo tou chimikman agresif nan direksyon pifò alyaj estriktirèl. Mekanis degradasyon dominan an se pa atak jeneral sifas men lesivaj selektif nan chromium soti nan limit grenn nan sèl la, kondwi pa potansyèl redox sèl la; sa a ka kite yon kouch anba sifas ki mouye, kwòm-apovri epi, anba estrès aplike, ankouraje kowozyon entègranulè-ki ede fann.

Hastelloy N te devlope nan Laboratwa Nasyonal Oak Ridge nan ane 1950-60 yo espesyalman pou reziste mekanis sa a pou Eksperyans Reaktè Sèl Fonn, epi li - ansanm ak GH3535 ki sanble nan konpozisyon Lachin nan, ki te itilize nan thorium fonn peyi sa a pwogram -tès estriktirèl reyaktè sèl la ki mennen nan fanmi reyaktè {6}. fliyò-sèl-konsèp reyaktè refwadi. Paske alyaj sa yo poko ranpli chemen kalifikasyon ASME Seksyon III, Divizyon 5 Ozetazini, devlopè k ap pouswiv konsepsyon FHR ak MSR pre -tèm jeneralman planifye pou yon ka kòd materyèl dedye, ki sipòte pa korozyon ki dire lontan ak done tès mekanik yo, kòm yon pati nan estrateji jeneral lisans yo.

Ki jan alyaj nikèl fè nan elyòm-refwadi, gwo-rektè gaz tanperati?

Alloy 617 ak Alloy 800H yo se alyaj nikèl dirijan yo pou sèvis HTGR paske tou de fòme yon kouch ksid ki estab, pwoteksyon kwòm - nan elyòm epi kenbe fòs ranpe itil byen pi wo pase limit asye pur, menm si tou de rete vilnerab a ralanti karburizasyon oswa dekarburizasyon si awozaj la elyòm pote enpurte tras.

Pwodiksyon awozaj elyòm nan yon HTGR pa janm parfe pi bon kalite - nivo tras nan monoksid kabòn, idwojèn, metàn, ak imidite yo inevitab nan gaz, grafit, ak sistèm outgassing - ak enpurte sa yo ka kondi swa karburize (kabòn ranmasaj, ki embrittles alyaj la) oswa dekarburizasyon (balans kabòn nan enpurte lokal li), ki depann de enpurte yo. Alloy 800H gen plizyè deseni nan istwa fonksyònman nan anviwònman sa a, ki gen ladan nan plant demonstrasyon HTGR byen bonè, epi li rete youn nan senk orijinal ASME Seksyon III, Divizyon 5 materyèl kalifye.

Alloy 617 te karakterize anpil depi mitan ane 2000 yo kòm kandida prensipal pou echanjeur chalè entèmedyè (IHX) - eleman ki transfere chalè soti nan bouk elyòm prensipal la nan yon pwosesis segondè - paske li konbine pi wo -fòs tanperati ki wo pase Alloy-High ak estabilite adekwat nan anviwònman elyòm, estabilite 8000. Ka Kòd ASME N-898, ki pwolonje konstriksyon Alloy 617 kalifye jiska 954 degre (1,750 degre F).

Ki wòl Alloy 690 jwe nan SMR ki baze sou limyè-Dlo-?

Alloy 690 se dèlko vapè estanda ak materyèl tib echanjeur chalè-pou limyè-dlo SMR konsepsyon akòz gwo rezistans li nan krak korozyon estrès dlo prensipal (PWSCC), yon mòd echèk ki te kondui endistri nikleyè a lwen predesesè li, Alloy 600, ki te kòmanse nan ane 1980-2000 yo.

SMR dlo limyè -tankou konsepsyon NuScale a ak BWRX-300 GE Hitachi a eritye pi fò nan baz materyèl yo dirèkteman nan gwo-reaktè a presyon ak dlo bouyi flòt, ki gen ladan depandans sou Alloy 690 nenpòt kote yon nikèl-chromiron{6}tib{7}kontact{6}kwòm segondè{6} gwo -tanperati dlo prensipal anba estrès rezidyèl nan koube oswa ekspansyon. Alyaj 600, ki te itilize nan plant anvan yo, te montre sansib a PWSCC nan fwontyè grenn jaden anba sèvis alontèm-, ki mennen nan ranplasman dèlko vapè koute chè nan tout endistri.

Kontni chromium konsiderableman pi wo Alloy 690 la fè pwomosyon yon fim oksid pwoteksyon ki pi estab, kontinyèl anba menm chimi dlo ak kondisyon estrès, bay li siyifikativman pi bon rezistans fann nan dè dekad nan eksperyans operasyon ki vin apre. Paske limyè-Dlo SMR yo opere nan menm tanperati ak dlo-chimi anvlòp ke flòt PWR konvansyonèl la, Alloy 690 tib pote sou kòm yon materyèl ki kalifye, kòd-aksepte olye ke yo mande nouvo travay kalifikasyon segondè{-tanperati nan kalite HTGR ak konsepsyon sa yo toujou bezwen{7}.

Ki sa ki mekanis degradasyon kle alyaj nikèl yo dwe reziste nan sèvis SMR?

Mekanis degradasyon dominan an diferan pa likid refwadisman: fluaj ak elyòm-karburizasyon enpurte gouvène konsepsyon gaz-refwadi, lesivaj Kwòm gouvène konsepsyon sèl fonn-, krak prensipal korozyon estrès dlo gouvène konsepsyon limyè-dlo, ak radyasyon -pwovoke konsyans elyòm ki itilize{5}} nan yon pozisyon wo fluence netwon.

Tablo 3. Mekanis degradasyon prensipal alyaj nikèl dwe reziste atravè klas awozaj SMR, ak konsepsyon prensipal oswa mitigasyon metaliji yo itilize nan pratik aktyèl la.

Kijan ASME Seksyon III, Divizyon 5 Kalifye yon Nouvo Materyèl pou Itilize Avanse Reaktè?

Yon nouvo materyèl estriktirèl nikleyè deplase soti nan kandida a nan estati kalifye atravè yon kòd ASME fòmèl-pwosesis ka ki mande pou yon gwo, plizyè ane pakè done sou fluaj, rupture, ak konpòtman fatig nan tout ranje tanperati sèvis yo entansyon, revize ak vote pa soukomite ASME ki enpòtan an anvan li ka itilize pou konstriksyon ki gen lisans.

ASME Seksyon III, Divizyon 5 te pibliye pou konsolide règ konstriksyon nikleyè tanperati wo -pou tout kalite refwadisman reyaktè avanse anba yon sèl divizyon, ki baze sou metòd konsepsyon okòmansman te devlope pou reyaktè sodyòm-refwadi. Ajoute yon nouvo materyèl - jan sa te rive pou Alloy 617 - mande pou pwodiktè materyèl la oswa yon konsòsyòm endistri yo rasanble yon pake done konsepsyon Klas A ki kouvri pwopriyete tensile ak fluaj-rupture nan ranje tanperati entansyon an, estrès izokron-koub souch pou gwo -konsepsyon tanperati, -konsepsyon tanperati, -fatigabilite {fatigabilite{99}, done ak fatigabilite{9}fatigabilite, enfòmasyon ak fatigabilite. tout devlope daprè kòd "Gid pou Bezwen Done Konsepsyon pou Nouvo Materyèl."

Lè sa a, Komite Chodyè ak Veso Presyon ASME a revize ak vote pake sa a anvan pibliye yon dosye fòmèl kòd; ka yo kòd Alloy 617 te pran apeprè yon deseni nan travay karakterizasyon, menm si ASME te rasyonalize sik la revizyon pou materyèl ki vin apre ki baze sou leson yo aprann. Pwosesis sa a se rezon prensipal kèk alyaj nikèl ki pwomèt estriktirèl, tankou Hastelloy N, rete kandida olye ke materyèl ki kalifye pou konstriksyon ki gen lisans Etazini menm si yo te etidye korozyon ak konpòtman mekanik yo pou dè dekad.

Ki alyaj nikèl ou ta dwe presize pou eleman avanse raktor ou a?

Koresponn ak alyaj la ak chimi awozaj ki gouvène ak tanperati eleman espesifik la, pa ak klas raktor la kòm yon antye, paske yon sèl konsepsyon SMR ka gen ladan plizyè anviwònman opere diferan atravè sistèm prensipal ak segondè li yo.

Tablo 4. Konpozan -nivo nikèl alyaj seleksyon gid pa anviwònman awozaj SMR. Seleksyon final materyèl yo dwe konfime kont konsepsyon vandè reyaktè espesifik apwouve a ak edisyon kòd ASME/ka kòd ki envoke pa baz lisans lan.

Ki eta aktyèl deplwaman SMR, e poukisa li enpòtan pou chèn apwovizyonman materyèl yo?

Apati 2026, Etazini te deplase soti nan desen papye yo al nan konstriksyon aktif pou premye fwa nan dè dekad, e chanjman sa a ap kòmanse kreye yon demann reyèl -nan tèm nikleyè- plak alyaj nikèl, tib, ak forging olye ke sèlman rechèch-kantite echèl.

Nan mwa mas 2026, TerraPower te resevwa premye pèmi konstriksyon Komisyon Regilasyon Nikleyè Etazini yo te bay pou yon reyaktè komèsyal ki pa-lejè-pisans dlo an mas 2026 e li te kòmanse travay sou izin Natrium ki te refwadi sodyòm-li nan Kemmerer, Wyoming yon ti tan apre. Konsepsyon SMR modènize NuScale Power te resevwa apwobasyon NRC, epi sèvis piblik ki gen ladan Tennessee Valley Authority te lanse pwogram deplwaman SMR milti-gigawatt.

X-elyòm-refwadi Xe-100 ap avanse atravè revizyon NRC pou yon sit Texas, epi Kairos Power ap kontinye konstriksyon inite tès siksesif ki refwadi fliyò-sèl nan Tennessee. Gwo konpayi teknoloji yo te siyen separeman plis pase dis gigawatt kapasite nikleyè avanse angaje pou ede kwasans sant done AI, yon echèl angajman prive ki nouvo nan endistri a.

Pou founisè alyaj ak eleman yo, sa vle di klas alyaj nikèl yo deja diskite nan gid sa a - Alloy 690, Alloy 617, Alloy 800H, ak fonn-sèl-Fonn yo ki reziste fanmi Hastelloy N - ap deplase soti nan prensipalman akademik ak tès laboratwa{7}. premye--yon-kalite akizisyon komèsyal, ak trazabilite rapò tès moulen ak kòd-konfòmite ka yo vin tounen yon egzijans pou achte tou pre-tèm olye ke yon konsiderasyon nan lavni.

Kesyon yo poze souvan

Q: Èske estanda 316 asye pur ka itilize nan konpozan SMR?

A: Wi, pou eleman ki pi ba-tanperati. Kalite 304H ak 316H rete materyèl ki kalifye ASME Seksyon III, Divizyon 5 epi yo itilize nan tout konsepsyon reyaktè avanse tout kote tanperati sèvis rete nan limit -estrès admisib yo - jeneralman jiska apeprè 550-650 degre depann sou lavi konsepsyon ak chaj. Pi wo pase ranje sa a, fòs fluaj yo tonbe twò vit pou yon lavi konsepsyon plizyè -dekad, ki se kote Alloy 617 ak Alloy 800H pran plas.

Q: Ki tanperati ki pi wo yon alyaj nikèl nikleyè-kapab jere?

A: Dapre aktyèl ASME Seksyon III, Divizyon 5 ka kòd, Alloy 617 kalifye pou konstriksyon jiska 954 degre (1,750 degre F), limit tanperati ki pi wo nan nenpòt ki materyèl kounye a kòd-kalifye pou konstriksyon nikleyè US. Tanperati aktyèl konpozan konsepsyon fikse pa analiz de baz konsepsyon reyaktè espesifik-, pa pa limit maksimòm kòd alyaj la pou kont li.

Q: Poukisa Hastelloy N poko itilize nan yon réacteurs komèsyal ki gen lisans Ozetazini?

A: Se pa paske pèfòmans li gen dout - li gen plizyè deseni tès ak done fonksyònman limite ki retounen nan Eksperyans Reaktè Sèl Fonn nan ane 1960 - men paske li poko konplete pwosesis kalifikasyon fòmèl ASME Seksyon III, Divizyon 5 ki nesesè pou konstriksyon komèsyal ki gen lisans Ozetazini. Devlopè k ap chèche fonn-sèl oswa fliyò-sèl-refwadi konsepsyon yo dwe pouswiv yon dosye kòd dedye kòm yon pati nan chemen lisans yo.

Q: Èske Alloy 690 yo itilize nan dèlko vapè SMR diferan de Alloy 690 yo itilize nan gwo PWR?

A: Non. Limyè-dlo SMR konsepsyon jeneralman yo trase sou menm espesifikasyon materyèl ASME-kalifye Alloy 690 yo deja etabli pou flòt konvansyonèl presyon dlo a-rektora a, paske tou de opere nan yon menm jan chimi dlo prensipal ak ranje tanperati. Alyaj nan tèt li pa bezwen nouvo kalifikasyon segondè -tanperati pou aplikasyon sa a.

Q: Konbyen tan li anjeneral pran pou ajoute yon nouvo materyèl nan kòd nikleyè ASME a?

A: Istorikman, sou lòd yon deseni pou yon premye-nan-li-kalite segondè-materyèl tanperati ki wo - ka kòd Alloy 617 yo te pran apeprè tan sa a depi premye karakterizasyon li yo jiska piblikasyon. Depi ASME rasyonalize workflow revizyon li yo ki baze sou leson yo aprann nan efò sa a, men rasanble pake done ranp, fatig, ak soudabilite ki nesesè yo rete etap ki limite pousantaj -pou nenpòt nouvo materyèl kandida.