أنظمة إحكام غلق محطات الطاقة النووية: حواجز السلامة في الظروف القاسية

في الحلقة الأولية، والمضخات الرئيسية، ومولدات البخار، وأنظمة الصمامات في محطات الطاقة النووية، تتحمل مكونات الختم الظروف القاسية، بما في ذلك الماء المضغوط عالي الحرارة عند 350 درجة مئوية، والإشعاع المكثف (10²¹ نيوتن/سم²)، وتآكل حمض البوريك، والأحمال الزلزالية. قد يؤدي العطل إلى تسرب إشعاعي أو توقف المفاعل. تُشكل الأختام المعدنية وأختام الجرافيت نظام حماية مزدوجًا لسلامة الجزيرة النووية من خلال خصائصها المتكاملة. تُحلل هذه المقالة تقنية الختم النووي من أربعة أبعاد: علم المواد، والتصميم الهيكلي، والاستجابة للحوادث، والابتكار المتطور.

​1. التحديات الشديدة للإغلاق النووي​

​معلمات التشغيل الأساسية:

• ​مفاعل الماء المضغوط: 350 درجة مئوية/15.5 ميجا باسكال؛مفاعل الماء المغلي: 290 درجة مئوية/7.2 ميجا باسكال (زحف المادة → فقدان الضغط النوعي للختم)
• ​أضرار الإشعاع: معدل تدفق النيوترونات السريع >10²¹ نيوتن/سم² (هشاشة المعادن/تفتيت الجرافيت)
• ​التآكل الكيميائي: 1800 جزء في المليون من حمض البوريك + 2.2 جزء في المليون من هيدروكسيد الليثيوم (تشقق التآكل الإجهادي)
• ​الأحمال الديناميكية: اهتزاز خط الأنابيب SSE 0.3 جم + 20 مم/ثانية (تسرب انزلاقي دقيق لواجهة الختم)

​المقاييس الرئيسية للختم النووي:

• عمر التصميم ≥60 عامًا (متطلبات EPR Gen-III)
• معدل التسرب ≤1×10⁻⁹ متر مكعب/ثانية (ملحق ASME III)
• الحفاظ على الختم بعد LOCA

​2. الأختام المعدنية: حصن ضد الإشعاع وقوة عالية​

​2.1 مواد السبائك النووية​

• Inconel 718: يقاوم إشعاع 15 ديسيبل، 950 ميجا باسكال عند 350 درجة مئوية (أختام المضخة الرئيسية)
• الفولاذ المقاوم للصدأ 316LN: مقاومة 20 ديسيبل، 450 ميجا باسكال عند 350 درجة مئوية (شفاه الحلقة الأساسية)
• سبيكة 690: مقاومة 25 ديسيبل، محصنة ضد التآكل بين الحبيبات (أنابيب مولد البخار)
• سبيكة الزركونيوم (Zr-2.5Nb): مقاومة 100 ديسيبل، 300 ميجا باسكال عند 400 درجة مئوية (أختام قضبان الوقود)

dpa = ضرر الإزاحة الذرية

​2.2 الهياكل المبتكرة​

• ​حلقات C معدنية ذاتية الطاقة:
  • التوسع الشعاعي لشعاع القوس المزدوج تحت الضغط (تعزيز الضغط الذاتي)
  • تسرب <10⁻¹¹ متر مكعب/ثانية عند 15 ميجا باسكال (تطبيق ويستنجهاوس AP1000)
• ​منفاخ معدني ملحوم:

  • 100 طبقة ملحومة بالليزر من رقائق Hastelloy® C276 بسمك 50 ميكرومتر

  • قدرة التعويض المحوري ±15 مم (مقاومة الزلازل)

​3. أختام الجرافيت: جوهر التشحيم عالي الضغط والختم في حالات الطوارئ​

​3.1 أداء الجرافيت النووي​

• الجرافيت المتساوي الضغط: كثافة 1.85 جم/سم³، قوة 90 ميجا باسكال (صناديق حشو الصمامات)
• الجرافيت المتحلل حراريًا: كثافة 2.20 جم/سم³، معامل احتكاك μ=0.08 (محركات قضبان التحكم)
• الجرافيت المقوى بـ SiC: قوة 220 ميجا باسكال، مقاومة 900 درجة مئوية (HTGRs)
• جرافيت مشبع بالبورون: مقاومة للأكسدة حتى 700 درجة مئوية (أختام الطوارئ LOCA)

​3.2 الابتكارات الهيكلية​

• ​حلقات الجرافيت المزوّدة بالطاقة النابضية:
  • زنبرك إنكونيل + شفة جرافيت + حلقة مضادة للبثق
  • لا يوجد تسرب بعد LOCA (بخار مشبع عند درجة حرارة 170 درجة مئوية)
• ​تعبئة الجرافيت المنقسم:
  • تصميم ذاتي الشد بزاوية إسفينية 15 درجة

  • عمر افتراضي يبلغ 250,000 دورة (صمامات فيشر النووية)

​4. التحقق من الظروف القاسية​

​4.1 اختبار الشيخوخة الإشعاعية (ASTM E521)​

• Inconel 718: انخفاض في قوة الخضوع بنسبة 12% بعد التعرض لإشعاع 3MeV من البروتون/5dpa
• الجرافيت النووي: احتفاظ بالقوة بنسبة >85% عند 10²¹ نيوتن/سم²

​4.2 محاكاة LOCA (IEEE 317-2013)​​

• ​تسلسل: 15.5 ميجا باسكال/350 درجة مئوية في حالة ثابتة → 0.2 ميجا باسكال في دقيقتين → 24 ساعة عند 170 درجة مئوية بالبخار
• ​معايير: أختام معدنية <1.0 Scc/s تسرب؛ أختام الجرافيت: لا يوجد تسرب مرئي

​4.3 الاختبارات الزلزالية (ASME QME-1).​

• OBE: 0.1 جرام/5-35 هرتز/30 ثانية اهتزاز
• SSE: محاكاة التاريخ الزمني 0.3g
• تقلب التسرب بعد الاهتزاز <10%

​5. التطبيقات النموذجية​

​5.1 أختام رأس وعاء المفاعل​

• شفة بقطر 5 أمتار، بدون صيانة لمدة 60 عامًا، مقاومة للتآكل والتلف الناتج عن LOCA
• الحل: حلقات C مزدوجة من Inconel 718 (أساسية) + جرافيت مبورو (احتياطي)

​5.2 أختام المضخة الرئيسية​

• حلقة دوارة من السيراميك SiC (2800HV) + حلقة ثابتة من الجرافيت الحراري
• دعامة منفاخ Hastelloy® C276
• التسرب: <0.1 لتر/يوم (بيانات هوالونغ وان)

​5.3 أنظمة الهيليوم HTGR​

• حلقة O من سبيكة Haynes® 230 (مطلية بـ Al₂O₃)
• جرافيت مقوى بألياف SiC (مقاومة للتآكل 5 مرات)

​6. الابتكارات المتطورة​

​6.1 أختام الاستشعار الذكية​

• مراقبة أضرار النيوترون: حساب dpa عبر المقاومة (خطأ <5%)
• الألياف البصرية FBG: مراقبة الإجهاد في الوقت الحقيقي (دقة ±0.1 ميجا باسكال)

​6.2 المواد المقاومة للحوادث​

• أختام معدنية ذاتية الشفاء: كبسولات معدنية دقيقة من فيلد (مانعة للتسرب عند درجة حرارة 62 درجة مئوية)
• الجرافيت المكثف بترسيب البخار الكيميائي: المسامية <0.1%

​6.3 حلول مفاعلات الجيل الرابع​

​فلسفة الحاجز الثلاثي​

​الحاجز 1: الأختام المعدنية​

• يحول Inconel 718 ضغط النظام 15 ميجا باسكال إلى قوة إغلاق 300 ميجا باسكال
• قضبان وقود من سبائك الزركونيوم: تسرب صفري عند احتراق 40 جيجاواط/طن يورانيوم

​الحاجز 2: أختام الجرافيت​

• يشكل الجرافيت البورون زجاج البورسليكات أثناء LOCA
• يطلق الجرافيت المتحلل حراريًا غازات ذاتية التشحيم عند درجات حرارة عالية

​الحاجز 3: المراقبة الذكية​

• أجهزة استشعار النيوترون: إنذار مبكر لمدة 15 عامًا
• التوأم الرقمي يحاكي سلامة الزلازل

​الاتجاهات المستقبلية​

مع مفاعلات الاندماج والمفاعلات النووية الصغيرة، سوف تتطور تكنولوجيا الختم نحو:

1. التكيف مع البيئة القاسية (إشعاع أيونات الهيليوم/تآكل الملح المنصهر)
2. التصغير (أختام كرة الوقود الدقيقة <1 مم قطر)
   ويعتمد التشغيل الآمن لمحطات الطاقة النووية لمدة 60 عاماً على هذه "الحصون المانعة للتسرب" التي يبلغ مقياسها سنتيمتراً واحداً.