Adweithyddion Modiwlaidd Bach (SMRs) ac Aloeon Nicel: Deunyddiau ar gyfer Nesaf-Gen Niwclear

Nid yw adweithyddion modiwlaidd bach (SMRs) yn fersiynau llai o adweithyddion dŵr confensiynol dan bwysau. Mae nifer o ddyluniadau datblygedig yn rhedeg yn boethach, yn defnyddio gwahanol oeryddion - heliwm, sodiwm hylifol, neu halen fflworid tawdd yn lle dŵr dan bwysedd - ac yn targedu oes gwasanaeth a chylchredau dyletswydd sy'n gwthio deunyddiau strwythurol ymhell y tu hwnt i'r tymheredd a'r amlen cyrydiad yr oedd dur gwrthstaen gradd niwclear confensiynol yn gymwys ar ei chyfer.

Aloeon wedi'u seilio ar nicel-yw'r teulu o ddeunyddiau sydd yn y sefyllfa orau i gau'r bwlch hwnnw, ac maent eisoes yn ymddangos ar draws y gadwyn gyflenwi adweithyddion datblygedig: fel tiwbiau generadur ager mewn-SMRs dŵr golau, fel deunydd cyfnewidydd gwres canolradd mewn dyluniadau wedi'i oeri gan nwy, ac fel ymgeisydd prif ddeunydd dolen mewn halen-cysyniadau wedi'u hoeri. Mae'r canllaw hwn yn esbonio pam mae aloion nicel yn bwysig i SMRs, pa raddau sydd eisoes yn gymwys o gymharu â dal i gael eu datblygu, a sut i feddwl am ddewis deunyddiau ar draws y gwahanol ddosbarthiadau technoleg SMR.

Beth Yw Adweithyddion Modiwlaidd Bach, a Pam Mae Eu Anghenion Deunyddiau yn Wahanol i Adweithyddion Confensiynol?

Mae SMRs yn rhychwantu nifer o ddosbarthiadau adweithyddion gwahanol gydag oeryddion a thymereddau gweithredu gwahanol iawn, a'r amrywiaeth hon - nid dim ond y maint llai - sy'n gyrru'r rôl ehangach ar gyfer aloion nicel.

Mae "SMR" yn disgrifio adweithydd modiwlaidd â ffatri o dan 300 MWe yn gyffredinol, ond mae'r term yn cwmpasu sawl technoleg sylfaenol wahanol. Mae SMRs dŵr ysgafn (fel dyluniad NuScale a BWRX GE Hitachi-300) yn defnyddio'r un cemeg oerydd dŵr dan bwysau neu ddŵr berw ag adweithyddion mawr confensiynol ac yn gweithredu mewn amrediad tymheredd tebyg, felly maent yn dibynnu'n helaeth ar ddur di-staen gradd niwclear sefydledig a dur aloi isel, gyda chydrannau penodol ager-tubing.

Mae adweithyddion nwy tymheredd uchel wedi'u hoeri, neu HTGRs (fel X-energy's Xe-100), yn defnyddio oerydd heliwm a thanwydd gronynnau TRISO a thargedu tymereddau allfa llawer uwch i wella effeithlonrwydd thermol a galluogi cymwysiadau gwres proses ddiwydiannol. Mae adweithyddion cyflym sodiwm wedi'u hoeri (fel dyluniad TerraPower's Natrium) yn defnyddio oerydd metel hylif ar dymheredd cymedrol-i-dymheredd uchel a gwasgedd isel. Mae adweithyddion tymheredd uchel wedi'u hoeri gan fflworid, neu FHRs (fel cynllun Hermes Kairos Power), yn cylchredeg halen fflworid tawdd fel oerydd o amgylch tanwydd carreg solet TRISO, tra bod adweithyddion gwir halen tawdd yn hydoddi'r tanwydd yn uniongyrchol mewn halen sy'n cylchredeg. Mae pob un o'r dosbarthiadau hyn yn gosod cyfuniad gwahanol o dymheredd, cemeg oerydd, ac amgylchedd niwtronau ar ei ddeunyddiau strwythurol.

Tabl 1. Dosbarthiadau technoleg SMR cynrychioliadol, tymereddau gweithredu bras, a dyluniadau enghreifftiol. Mae'r ffigurau'n cael eu cyffredinoli fesul dosbarth adweithydd er enghraifft; mae dyluniadau gwerthwyr penodol yn amrywio a dylid cadarnhau manylebau swyddogol yn erbyn dogfennaeth gyfredol y gwerthwr a'r rheoliadau.

Pam fod angen aloion nicel ar Adweithyddion Uwch yn lle Dur Di-staen Safonol?

Mae dur di-staen gradd austenitig niwclear confensiynol yn colli gormod o gryfder ymgripiad a gwrthiant ocsideiddio uwchlaw tua 550-650 gradd am yr oes ddylunio aml-ddegawd sydd ei angen ar adweithyddion datblygedig, ac mae aloion nicel yn ymestyn gwasanaeth strwythurol defnyddiadwy ymhellach i'r ystod 700-950 gradd sydd ei angen ar HTGR a rhai dyluniadau wedi'u hoeri â halen.

O dan God Boeler a Llongau Pwysedd ASME, Adran III, mae Adran 5 yn rheoli adeiladu cydrannau niwclear tymheredd uchel ar draws pob math o oerydd adweithydd datblygedig. Am ddegawdau, dim ond pum deunydd oedd yn gymwys ar gyfer y gwasanaeth hwn: 2.25Cr-1Mo a vanadium-addasu 9Cr{14}}1Mo duroedd ferritig, Mathau 304H a 316H dur gwrthstaen austenitig, a'r uchel{15}}nicel austenitic Alloy 80. O'r rhain, dim ond Alloy 800H sy'n cael ei raddio ar gyfer dyluniad gwirioneddol tymheredd uchel, dibwys-grip sy'n agosáu at 760 gradd ac uwch.

Uwchben tua 550–650 gradd , mae straen dylunio caniataol safonol dur gwrthstaen 304H/316H yn gostwng yn sydyn oherwydd bod amser -anffurfiad ymgripiad dibynnol - heb fod yn fyr -cynnyrch tymor neu gryfder tynnol - yn dod yn fodd methiant llywodraethu, a gradd cromiwm dur gwrthstaen {temper ocsid{89} llai o halen{89} yn dod yn llai amddiffynnol o halen{89} hefyd amgylcheddau. Mae aloion nicel fel Alloy 617 yn datrys y ddwy broblem: mae eu cynnwys nicel uwch yn gwella ymwrthedd i ymgripiad ac i atmosfferau carburizing / ocsideiddio, gan ymestyn tymereddau dylunio cymwysedig hyd at tua 954 gradd (1,750 gradd F) o dan achos cod ASME 2019.

Pa Aloiau Nicel Sy'n Gymwys neu'n Dan Werthuso ar gyfer Adeiladu Adweithydd Uwch?

Ar hyn o bryd Alloy 800H yw'r unig ddeunydd sy'n seiliedig ar nicel gyda chymhwyster Adran 5 ASME llawn, hirsefydlog; Mae Alloy 617 wedi'i ychwanegu trwy ddau achos cod pwrpasol, tra bod Alloy 690, Hastelloy N, GH3535, ac Alloy 709 yr un yn chwarae rôl ond yn eistedd ar wahanol gamau o'r llwybr cymhwyster.

Tabl 2. Cyfeiriant nicel a nicel-aloiau cyfagos sy'n berthnasol i adeiladwaith adweithydd uwch, eu cyfansoddiadau bras, a'u statws cymhwyster cod UDA cyfredol. Dylid gwirio rhifau achosion cod, terfynau tymheredd, a statws cymhwyster bob amser yn erbyn yr achosion cyfredol o ASME BPVC Adran III, Adran 5 ac achosion cod cymwys sydd mewn grym.

Sut mae aloion nicel yn perfformio mewn amgylcheddau adweithyddion halen tawdd?

Mae aloion cromiwm nicel fel Hastelloy N a GH3535 yn gwrthsefyll cyrydiad halen fflworid tawdd yn llawer gwell na dur di-staen oherwydd bod eu cynnwys cromiwm isel yn cyfyngu ar y prif lwybr cyrydiad - cromiwm trwytholchi o ffiniau grawn i'r halen - tra bod eu hadiad molybdenwm yn cadw cryfder tymheredd uchel{5}.

Mae halwynau fflworid tawdd fel FLiBe (fflworid lithiwm - fflworid beryliwm) a FLiNaK (fflworid lithiwm-sodiwm-potasiwm) yn oeryddion adweithydd deniadol oherwydd eu hamsugniad niwtron isel, cynhwysedd gwres cyfeintiol uchel, a phwysau gweithredu isel, ond maent hefyd yn ymosodol yn gemegol tuag at y rhan fwyaf o aloion strwythurol. Nid ymosodiad arwyneb cyffredinol yw'r prif fecanwaith diraddio ond trwytholchiad dethol o gromiwm o ffiniau grawn i'r halen, wedi'i yrru gan botensial rhydocs yr halen; gall hyn adael haen is-wyneb mandyllog, cromiwm-wedi disbyddu ac, o dan bwysau cymhwysol, hybu cyrydiad rhyng-gronynnog-cracio â chymorth.

Cafodd Hastelloy N ei ddatblygu’n bwrpasol yn Labordy Cenedlaethol Oak Ridge yn y 1950au–60au yn benodol i wrthsefyll y mecanwaith hwn ar gyfer yr Arbrawf Adweithydd Halen Tawdd, ac mae’n - ynghyd â GH3535 cyfansoddiadol tebyg Tsieina, a ddefnyddiwyd yn rhaglen brawf adweithydd thoriwm tawdd y wlad honno ar gyfer rhaglen brawf teulu halen adweithydd {{6} yn arwain o hyd. fflworid-halen-cysyniadau adweithyddion oeri. Gan nad yw'r aloion hyn wedi cwblhau llwybr cymhwyster Adran 5, Adran 5 ASME yn yr Unol Daleithiau eto, mae datblygwyr sy'n mynd ar drywydd cynlluniau FHR ac MSR sy'n agos at-yn gyffredinol yn cynllunio ar gyfer cas cod deunydd pwrpasol, wedi'i gefnogi gan ddata prawf cyrydu a mecanyddol hir, fel rhan o'u strategaeth drwyddedu gyffredinol.

Sut Mae Aloeon Nicel yn Perfformio mewn Heliwm-Adweithyddion Nwy Tymheredd Oeri, Uchel-?

Alloy 617 ac Alloy 800H yw'r aloion nicel blaenllaw ar gyfer gwasanaeth HTGR oherwydd bod y ddau yn ffurfio haen cromiwm sefydlog, amddiffynnol mewn heliwm ac yn cadw cryfder ymgripiad defnyddiol ymhell uwchlaw terfynau dur di-staen, er bod y ddau yn parhau i fod yn agored i garburization neu ddatgarburiad araf os yw'r oerydd heliwm yn cario amhureddau olrhain.

Cynhyrchu oerydd heliwm mewn HTGR byth yn berffaith pur - lefelau hybrin o garbon monocsid, hydrogen, methan, a lleithder yn anochel o danwydd, graffit, a system outgassing - a gall yr amhureddau hyn yrru naill ai carburization (codiad carbon, sy'n embrittles yr aloi) neu decarburization (colli carbon, sy'n ei wanhau), yn dibynnu ar y cydbwysedd lleol, a'r diffyg hylif. Mae gan Alloy 800H ddegawdau o hanes gweithredu yn yr amgylchedd hwn, gan gynnwys mewn gweithfeydd arddangos HTGR cynnar, ac mae'n parhau i fod yn un o'r pum deunydd cymwys ASME gwreiddiol Adran III, Adran 5.

Mae Alloy 617 wedi'i nodweddu'n helaeth ers canol-2000au fel yr ymgeisydd blaenllaw ar gyfer y cyfnewidydd gwres canolraddol (IHX) - y gydran sy'n trosglwyddo gwres o'r ddolen heliwm gynradd i broses eilaidd - oherwydd ei fod yn cyfuno cryfder tymheredd uwch uwch nag Alloy 800H â sefydlogrwydd heliwm-As38,-environ digonol, sy'n arwain at sefydlogrwydd digonol o heliwm,-environ8. adeiladu Alloy 617 cymwys estynedig hyd at 954 gradd (1,750 gradd F).

Pa Rôl Mae Alloy 690 yn ei Chwarae mewn Golau-Dŵr-SMRs Seiliedig?

Alloy 690 yw'r generadur stêm safonol a'r deunydd tiwbiau cyfnewid gwres ar gyfer dyluniadau SMR dŵr golau oherwydd ei wrthwynebiad uchel i gracio cyrydiad straen dŵr sylfaenol (PWSCC), dull methiant a yrrodd y diwydiant niwclear i ffwrdd o'i ragflaenydd, Alloy 600, gan ddechrau yn y 1980au-2000au.

Mae SMRs dŵr ysgafn megis dyluniad NuScale a BWRX GE Hitachi-300 yn etifeddu'r rhan fwyaf o'u deunyddiau'n uniongyrchol o'r fflyd fawr o adweithyddion dan bwysedd a dŵr berwedig, gan gynnwys dibynnu ar Alloy 690 lle bynnag y bydd nicel, aloi cromiwm, tiwbio haearn uchel. tymheredd uchel-dŵr cynradd dan straen gweddilliol o blygu neu ehangu. Profodd Alloy 600, a ddefnyddiwyd mewn gweithfeydd cynharach, yn agored i PWSCC ar ffiniau grawn o dan-wasanaeth tymor hir, gan arwain at amnewid generaduron stêm costus ledled y diwydiant.

Mae cynnwys cromiwm sylweddol uwch Alloy 690 yn hyrwyddo ffilm ocsid amddiffynnol mwy sefydlog, parhaus o dan yr un amodau cemeg dŵr a straen, gan roi ymwrthedd cracio llawer gwell iddo mewn degawdau o brofiad gweithredu dilynol. Gan fod SMRs dŵr ysgafn yn gweithredu yn yr un amlen gemeg tymheredd a dŵr â'r fflyd PWR confensiynol, mae tiwbiau Alloy 690 yn cario drosodd fel deunydd cymwys, cod-yn hytrach na bod angen gwaith cymhwyster tymheredd uchel newydd o'r math sydd ei angen o hyd ar ddyluniadau HTGR a halen-wedi'u hoeri.

Beth Yw'r Mecanweithiau Diraddio Allweddol y mae'n Rhaid i Aloion Nicel Ymwrthedd yn y Gwasanaeth SMR?

Mae'r prif fecanwaith diraddio yn amrywio yn ôl oerydd: mae ymgripiad a heliwm-carbureiddio amhuredd yn rheoli -dyluniadau oeri, mae trwytholchiad cromiwm yn rheoli dyluniadau halen tawdd, mae cracio cyrydiad straen dŵr sylfaenol yn rheoli golau-dyluniadau dŵr, ac ymbelydredd-ymbelydriad aloi a achosir gan heliwm - croescwlwm a ddefnyddir; mewn safle rhuglder niwtron uchel.

Tabl 3. Prif fecanweithiau diraddio rhaid i aloion nicel wrthsefyll ar draws dosbarthiadau oerydd SMR, a'r dyluniad sylfaenol neu'r mesurau lliniaru metelegol a ddefnyddir yn yr arfer presennol.

Sut Mae ASME Adran III, Adran 5 yn Cymhwyso Deunydd Newydd i'w Ddefnyddio gan Adweithydd Uwch?

Mae deunydd strwythurol niwclear newydd yn symud o statws ymgeisydd i statws cymwys trwy broses achos cod ASME ffurfiol sy'n gofyn am becyn data sylweddol, aml-flwyddyn ar ymddygiad ymgripiad, tynnol a blinder ar draws yr ystod tymheredd gwasanaeth arfaethedig, wedi'i adolygu a'i gynnal pleidlais gan yr is-bwyllgor ASME perthnasol cyn y gellir ei ddefnyddio ar gyfer adeiladu trwyddedig.

Cyhoeddwyd ASME Adran III, Is-adran 5 i atgyfnerthu-rheolau adeiladu niwclear tymheredd uchel ar gyfer pob math o oerydd adweithydd datblygedig o dan un rhaniad, gan adeiladu ar ddulliau dylunio a ddatblygwyd yn wreiddiol ar gyfer adweithyddion wedi'u hoeri â sodiwm. Mae ychwanegu deunydd newydd - fel y digwyddodd ar gyfer Alloy 617 - yn ei gwneud yn ofynnol i gynhyrchydd y deunydd neu gonsortiwm diwydiant gydosod pecyn data dylunio Dosbarth A sy'n cwmpasu priodweddau tynnol a ymgripiad - phriodweddau rhwygiad ar draws yr ystod tymheredd a fwriadwyd, straen isocronaidd -straen cromliniau ar gyfer -dyluniad tymheredd uchel, gwybodaeth blinder a chyflymder{9} i'r holl ddata, a datblygwyd yn unol â'r data rhyngweithio, blinder a llifeiriant. "Canllawiau ar gyfer Anghenion Data Dylunio ar gyfer Deunyddiau Newydd."

Yna mae Pwyllgor Boeler a Llestr Pwysedd ASME yn adolygu ac yn cynnal pleidlais ar y pecyn hwn cyn cyhoeddi achos cod ffurfiol; cymerodd yr achosion cod Alloy 617 tua degawd o waith nodweddu, er bod ASME ers hynny wedi symleiddio'r cylch adolygu ar gyfer deunyddiau dilynol yn seiliedig ar wersi a ddysgwyd. Y broses hon yw'r prif reswm am rai aloion nicel addawol yn strwythurol, megis Hastelloy N, yn parhau i fod yn ymgeiswyr yn hytrach na deunyddiau cymwys ar gyfer adeiladu trwyddedig yr Unol Daleithiau er bod eu hymddygiad cyrydiad a mecanyddol wedi'i astudio ers degawdau.

Pa Aloi Nicel Ddylech Chi Ei Nodi ar gyfer Eich Cydran Adweithydd Uwch?

Cydweddwch yr aloi â chemeg yr oerydd llywodraethu a thymheredd y gydran benodol, nid â'r dosbarth adweithydd yn ei gyfanrwydd, oherwydd gall un dyluniad SMR gynnwys sawl amgylchedd gweithredu gwahanol ar draws ei systemau cynradd ac eilaidd.

Tabl 4. Cydran-canllaw dewis aloi nicel lefel yn ôl amgylchedd oerydd SMR. Rhaid cadarnhau'r dewis deunydd terfynol yn erbyn dyluniad cymeradwy'r gwerthwr adweithydd penodol ac achosion argraffiad/cod ASME a ddefnyddir gan y sail drwyddedu.

Beth Yw Cyflwr Presennol Defnydd SMR, a Pam Mae'n Bwysig i'r Gadwyn Cyflenwi Deunyddiau?

O 2026 ymlaen, mae'r Unol Daleithiau wedi symud o ddyluniadau papur i waith adeiladu gweithredol am y tro cyntaf ers degawdau, ac mae'r newid hwn yn dechrau creu galw gwirioneddol sy'n agos at y tymor am niwclear -blat, tiwb a gofaniadau aloi nicel gradd yn hytrach na meintiau ymchwil yn unig.

Derbyniodd TerraPower y drwydded adeiladu gyntaf gan Gomisiwn Rheoleiddio Niwclear yr Unol Daleithiau a gyhoeddwyd erioed ar gyfer adweithydd pŵer dŵr masnachol nad yw’n ysgafn ym mis Mawrth 2026 a thorrodd dir ar ei ffatri Natrium a oeriwyd â sodiwm yn Kemmerer, Wyoming yn fuan wedyn. Mae dyluniad SMR uwchraddedig NuScale Power wedi derbyn cymeradwyaeth NRC, ac mae cyfleustodau gan gynnwys Awdurdod Dyffryn Tennessee wedi lansio rhaglenni defnyddio SMR aml-gigawat.

Mae heliwm X-energy's-oeri Xe-100 yn symud ymlaen drwy adolygiad NRC ar gyfer safle yn Texas, ac mae Kairos Power yn parhau i adeiladu unedau prawf fflworid olynol{-wedi'u hoeri â halen yn Tennessee. Mae cwmnïau technoleg mawr wedi llofnodi ar wahân dros ddeg gigawat o gapasiti niwclear uwch ymroddedig i helpu i bweru twf canolfan ddata AI, graddfa o ymrwymiad preifat sy'n newydd i'r diwydiant.

Ar gyfer cyflenwyr aloi a chydrannau, mae hyn yn golygu bod y graddau aloi nicel a drafodwyd eisoes yn y canllaw hwn - Alloy 690, Alloy 617, Alloy 800H, a'r teulu tawdd sy'n gwrthsefyll halen Hastelloy N - yn symud o raglenni prawf labordy academaidd a chenedlaethol yn bennaf tuag at gaffaeliad masnachol cyntaf. adroddiad prawf melin olrhain a chod-cydymffurfiaeth achos yn dod yn ofyniad prynu tymor agos yn hytrach nag ystyriaeth yn y dyfodol.

Cwestiynau Cyffredin

Q: A ellir defnyddio dur gwrthstaen safonol 316 mewn cydrannau SMR?

A: Ie, ar gyfer-cydrannau tymheredd is. Mae mathau 304H a 316H yn parhau i fod yn ddeunyddiau ASME Adran III, Adran 5 cymwysedig ac fe'u defnyddir ym mhob rhan o ddyluniadau adweithyddion uwch lle bynnag y mae tymheredd y gwasanaeth yn aros o fewn yr ystod straen a ganiateir - yn gyffredinol hyd at tua 550-650 gradd yn dibynnu ar oes y dyluniad a'r llwytho. Uwchben yr ystod honno, mae eu cryfder ymgripiad yn disgyn yn rhy gyflym am oes dylunio sawl degawd, a dyna lle mae Alloy 617 ac Alloy 800H yn cymryd drosodd.

Q: Beth yw'r tymheredd uchaf y gall aloi nicel cymwysedig ei drin?

A: O dan achosion cod Adran III, Adran 5 ASME cyfredol, mae Alloy 617 yn gymwys ar gyfer adeiladu hyd at 954 gradd (1,750 gradd F), terfyn tymheredd uchaf unrhyw ddeunydd sy'n god ar hyn o bryd{5}}sy'n gymwys ar gyfer adeiladu niwclear yr Unol Daleithiau. Mae tymheredd dylunio cydran gwirioneddol yn cael ei osod gan ddadansoddiad sail dyluniad yr adweithydd penodol, nid gan derfyn cod uchaf yr aloi yn unig.

Q: Pam nad yw Hastelloy N yn cael ei ddefnyddio mewn adweithydd masnachol trwyddedig yn yr Unol Daleithiau eto?

A: Nid oherwydd bod amheuaeth ynghylch ei berfformiad - mae ganddo ddegawdau o ddata prawf a data gweithredu cyfyngedig sy'n mynd yn ôl i Arbrawf Adweithydd Halen Tawdd y 1960au - ond oherwydd nad yw eto wedi cwblhau'r broses cymhwyster materol ASME Adran III, Adran 5 ffurfiol sy'n ofynnol ar gyfer adeiladu masnachol trwyddedig yn yr Unol Daleithiau. Disgwylir i ddatblygwyr sy'n dilyn dyluniadau -halen neu fflworid-halen{-tawdd{-i fynd ar drywydd achos cod pwrpasol fel rhan o'u llwybr trwyddedu.

Q: A yw'r Alloy 690 a ddefnyddir mewn generaduron stêm SMR yn wahanol i'r Alloy 690 a ddefnyddir mewn PWRs mawr?

A: Mae dyluniadau SMR dŵr ysgafn yn gyffredinol yn tynnu ar yr un manylebau deunydd Alloy 690 cymwys ASME a sefydlwyd eisoes ar gyfer y fflyd adweithydd dŵr dan bwysedd confensiynol, gan fod y ddau yn gweithredu mewn cemeg dŵr sylfaenol ac ystod tymheredd tebyg. Nid oes angen cymhwyster tymheredd uchel newydd ar yr aloi ei hun ar gyfer y cymhwysiad hwn.

Q: Pa mor hir y mae'n ei gymryd fel arfer i ychwanegu deunydd newydd at god niwclear ASME?

A: Yn hanesyddol, tua degawd am y cyntaf o'i ddeunydd tymheredd uchel o fath - cymerodd achosion cod Alloy 617 tua mor hir â hynny o'r nodweddu cychwynnol i'r cyhoeddiad. Ers hynny mae ASME wedi symleiddio ei lif gwaith adolygu yn seiliedig ar wersi a ddysgwyd o'r ymdrech honno, ond mae cydosod y pecyn data ymgripiad, blinder, a weldadwyedd gofynnol yn parhau i fod yn gam cyfyngu ar gyfradd ar gyfer unrhyw ddeunydd ymgeisydd newydd.