У першасным контуры, галоўных помпах, парагенератарах і клапанных сістэмах атамных электрастанцый кампаненты ўшчыльняльнікаў вытрымліваюць экстрэмальныя ўмовы, у тым ліку ваду пад ціскам высокай тэмпературы 350°C, інтэнсіўнае выпраменьванне (10²¹ Н/см²), карозію, выкліканую борнай кіслатой, і сейсмічныя нагрузкі. Пашкоджанне можа прывесці да ўцечкі радыеактыўных рэчываў або спынення рэактара. Металічныя ўшчыльняльнікі і графітавыя ўшчыльняльнікі ўтвараюць двайную сістэму абароны для бяспекі ядзернага выспы дзякуючы ўзаемадапаўняльным уласцівасцям. У гэтым артыкуле аналізуецца тэхналогія ўшчыльнення ядзернага класа з чатырох бакоў: матэрыялазнаўства, канструкцыйнае праектаванне, рэагаванне на аварыі і перадавыя інавацыі.
1. Надзвычайныя праблемы герметызацыі ядзерных установак
Асноўныя эксплуатацыйныя параметры:
- ПВР350°C/15,5 МПа;БВР290°C/7,2 МПа (паўзучасць матэрыялу → страта ўдзельнага ціску ўшчыльнення)
- Радыяцыйнае пашкоджаннеФлюенс хуткіх нейтронаў >10²¹ н/см² (крыхкасць металу/драбненне графіту)
- Хімічная карозія1800 ppm борнай кіслаты + 2,2 ppm LiOH (каразійнае растрэскванне пад напружаннем)
- Дынамічныя нагрузкі: SSE 0,3 г + 20 мм/с вібрацыя трубаправода (мікраслізгаценне ўшчыльняльнага інтэрфейсу, уцечка)
Ключавыя паказчыкі ядзернай пячаткі:
- Тэрмін службы праектавання ≥60 гадоў (патрабаванне EPR Gen-III)
- Хуткасць уцечкі ≤1×10⁻⁹ м³/с (Дадатак ASME III)
- Захоўваць герметычнасць пасля LOCA
2. Металічныя ўшчыльняльнікі: абарона ад радыяцыі і высокая трываласць
2.1 Ядзерныя сплавы
- Інканель 718: устойлівы да выпраменьвання 15 dPa, 950 МПа пры 350°C (галоўныя ўшчыльненні помпы)
- Нержавеючая сталь 316LN: супраціў 20 dPa, 450 МПа пры 350°C (фланцы першаснай пятлі)
- Сплаў 690: устойлівасць да 25 dpa, неўспрымальнасць да міжкрышталітнай карозіі (трубныя пласціны парагенератараў)
- Цырконіевы сплаў (Zr-2.5Nb): супраціў 100 dPa, 300MPa пры 400°C (ўшчыльненні паліўных стрыжняў)
dpa = пашкоджанне ад атамнага зрушэння
2.2 Інавацыйныя структуры
- Самазараджальныя металічныя C-вобразныя кольцы:
- Радыяльнае пашырэнне двухарочнай бэлькі пад ціскам (самаўзмацненне ціскам)
- Уцечка <10⁻¹¹ м³/с пры 15 МПа (прымяненне Westinghouse AP1000)
- Зварныя металічныя сильфоны:
-
100 слаёў фальгі Hastelloy® C276 таўшчынёй 50 мкм, звараных лазерам
- Кампенсацыйная здольнасць па восі ±15 мм (сейсмічная ўстойлівасць)
-
3. Графітавыя ўшчыльняльнікі: аснова для высокатэмпературнай змазкі і аварыйнага ўшчыльнення
3.1 Характарыстыкі ядзернага графіту
- Ізастатычны графіт: шчыльнасць 1,85 г/см³, трываласць 90 МПа (санітары клапанаў)
- Піралітычны графіт: шчыльнасць 2,20 г/см³, каэфіцыент трэння μ = 0,08 (прывады кіруючых стрыжняў)
- Графіт, узмоцнены карбідам крэмнію: трываласць 220 МПа, устойлівасць да 900°C (HTGRs)
- Графіт, прасякнуты борам: устойлівасць да акіслення пры тэмпературы 700°C (аварыйныя ўшчыльняльнікі LOCA)
3.2 Структурныя інавацыі
- Графітавыя кольцы з спружыннай энергіяй:
- Інканелевая спружына + графітавая кромка + антыэкструзійнае кольца
- Нулявая ўцечка пасля LOCA (насычаная пара 170°C)
- Раздзельная графітавая ўпакоўка:
- Клінаватая канструкцыя з самазацяжкай пад вуглом 15°
-
Тэрмін службы 250 000 цыклаў (ядзерныя клапаны Фішэра)
4. Праверка экстрэмальных умоў
4.1 Выпрабаванне на радыяцыйнае старэнне (ASTM E521)
- Інканель 718: зніжэнне мяжы цякучасці на 12% пасля апрамянення пратонамі энергіяй 3 МэВ/5 дзён на хвіліну
- Ядзерны графіт: захаванне трываласці >85% пры 10²¹ н/см²
4.2 Мадэляванне LOCA (IEEE 317-2013)
- Паслядоўнасць15,5 МПа/350 ℃ у стацыянарным стане → 0,2 МПа за 2 хвіліны → 24 гадзіны пры тэмпературы пары 170 ℃
- КрытэрыіМеталічныя ўшчыльняльнікі: уцечка <1,0 куб.см/с; графітавыя ўшчыльняльнікі: бачных уцечак няма
4.3 Сейсмічныя выпрабаванні (ASME QME-1).
- OBE: вібрацыя 0,1 г/5-35 Гц/30 с
- SSE: мадэляванне часовай гісторыі 0,3 г
- Ваганні ўцечкі пасля вібрацыі <10%
5. Тыповыя сферы прымянення
5.1 Ушчыльненні верхняй часткі корпуса рэактара
- Фланец Ø5 м, не патрабуе абслугоўвання 60 гадоў, устойлівы да ўздзеяння LOCA
- Рашэнне: двайныя C-вобразныя кольцы з сплаву Inconel 718 (асноўныя) + бораваны графіт (рэзервовыя)
5.2 Ушчыльненні галоўнага помпы
- Круцільнае кольца з керамікі SiC (2800HV) + нерухомае кольца з піралітычнага графіту
- Апора з Hastelloy® C276
- Уцечка: <0,1 л/дзень (дадзеныя Hualong One)
5.3 Геліевыя сістэмы HTGR
- Ушчыльняльнае кольца са сплаву Haynes® 230 (з пакрыццём Al₂O₃)
- Графіт, узмоцнены валакном SiC (5× зносаўстойлівасць)
6. Перадавыя інавацыі
6.1 Інтэлектуальныя сэнсарныя ўшчыльняльнікі
- Маніторынг нейтроннага пашкоджання: разлік DPA праз супраціўленне (памылка <5%)
- Аптычнае валакно FBG: маніторынг напружання ў рэжыме рэальнага часу (дакладнасць ±0,1 МПа)
6.2 Аварыйна-ўстойлівыя матэрыялы
- Самааднаўляльныя металічныя ўшчыльняльнікі: металічныя мікракапсулы Філда (зварка расплавам пры тэмпературы 62°C)
- Графіт, ушчыльнены метадам CVD: сітаватасць <0,1%
6.3 Рашэнні для рэактараў IV пакалення
Тып рэактара | Герметычны раствор |
---|---|
Натрыевае астуджэнне | С-вобразнае кольца з танавым пакрыццём + ўшчыльняльнік з банітавага нікеля |
Расплаўленая соль | Хастэлой N® + піралітычны графіт |
Ф'южн | Графіт, узмоцнены W, + вадкі літый |
Філасофія трайнога бар'ера
Бар'ер 1: Металічныя ўшчыльняльнікі
- Інканель 718 пераўтварае ціск сістэмы 15 МПа ў сілу ўшчыльнення 300 МПа
- Палівазмяшчальныя стрыжні са сплаву Zr: нулявая ўцечка пры выгарання 40 ГВт-сут/тU
Бар'ер 2: графітавыя ўшчыльняльнікі
- Боранізаваны графіт утварае боросілікатнае шкло падчас LOCA
- Піралітычны графіт пры высокіх тэмпературах вылучае самазмазвальныя газы
Бар'ер 3: Інтэлектуальны маніторынг
- Нейтронные датчыкі: 15-гадовае папярэджанне
- Лічбавы двайнік мадэлюе сейсмічную цэласнасць
Будучыя напрамкі
З тэрмаядзернымі рэактарамі і малымі магнітнымі рэактарамі (SMR) тэхналогія герметызацыі будзе развівацца ў напрамку:
- Адаптацыя да экстрэмальных умоў навакольнага асяроддзя (апраменьванне іонамі гелію/карозія расплаўленай солі)
- Мініяцюрызацыя (ушчыльненні паліўных мікрасфер дыяметрам <1 мм)
60-гадовая бяспечная эксплуатацыя атамных электрастанцый абапіраецца на гэтыя сантыметравыя «герметычныя крэпасці».
Час публікацыі: 16 чэрвеня 2025 г.