Сістэмы герметызацыі атамных электрастанцый: бар'еры бяспекі ў экстрэмальных умовах

Ушчыльненні для атамных электрастанцый

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:

  1. Адаптацыя да экстрэмальных умоў навакольнага асяроддзя (апраменьванне іонамі гелію/карозія расплаўленай солі)
  2. 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.