En el circuit primari, les bombes principals, els generadors de vapor i els sistemes de vàlvules de les centrals nuclears, els components de segellat resisteixen condicions extremes, com ara aigua a pressió a alta temperatura de 350 °C, radiació intensa (10²¹ n/cm²), corrosió per àcid bòric i càrregues sísmiques. Una fallada pot causar fuites radioactives o l'aturada del reactor. Els segells metàl·lics i els segells de grafit formen un sistema de doble protecció per a la seguretat de les illes nuclears a través de propietats complementàries. Aquest article analitza la tecnologia de segellat de grau nuclear des de quatre dimensions: ciència de materials, disseny estructural, resposta a accidents i innovació d'avantguarda.
1. Reptes extrems del segellat nuclear
Paràmetres operatius principals:
- PWR350 °C / 15,5 MPa;BWR290 °C/7,2 MPa (fluència del material → pèrdua de pressió específica de segellat)
- Danys per radiacióFluència de neutrons ràpids >10²¹ n/cm² (fragilització metàl·lica/pulverització de grafit)
- Corrosió química1800 ppm d'àcid bòric + 2,2 ppm de LiOH (fissura per corrosió sota tensió)
- Càrregues dinàmiquesVibració de la canonada SSE 0,3 g + 20 mm/s (fuita de microlliscament a la interfície de segellat)
Mètriques clau del segell nuclear:
- Vida útil del disseny ≥60 anys (requisit EPR Gen-III)
- Taxa de fuita ≤1×10⁻⁹ m³/s (Apèndix ASME III)
- Mantenir el segellat després de LOCA
2. Segells metàl·lics: Fortalesa contra la radiació i alta resistència
2.1 Materials d'aliatge nuclear
- Inconel 718: Resisteix una radiació de 15 dpa, 950 MPa a 350 °C (juntes de la bomba principal)
- Acer inoxidable 316LN: resistència de 20 dpa, 450 MPa a 350 °C (brides de bucle primari)
- Aliatge 690: resistència a 25 dpa, immune a la corrosió intergranular (plaques tubulars de generadors de vapor)
- Aliatge de zirconi (Zr-2.5Nb): resistència de 100 dpa, 300 MPa a 400 °C (segells de vareta de combustible)
dpa = dany per desplaçament atòmic
2.2 Estructures innovadores
- Anells metàl·lics en C autoenergitzants:
- Expansió radial de biga de doble arc sota pressió (autoaugment de la pressió)
- Fuita de <10⁻¹¹ m³/s a 15MPa (aplicació Westinghouse AP1000)
- Manxes metàl·liques soldades:
-
100 capes soldades amb làser de làmina Hastelloy® C276 de 50 μm
- Capacitat de compensació axial de ±15 mm (resistència sísmica)
-
3. Segells de grafit: nucli de lubricació d'alta temperatura i segellat d'emergència
3.1 Rendiment del grafit nuclear
- Grafit isostàtic: densitat d'1,85 g/cm³, resistència de 90 MPa (caixes de premsaestopes de vàlvules)
- Grafit pirolític: densitat de 2,20 g/cm³, coeficient de fricció μ=0,08 (accionaments de vareta de control)
- Grafit reforçat amb SiC: resistència de 220 MPa, resistència a 900 °C (HTGR)
- Grafit infiltrat en bor: resistència a l'oxidació de 700 °C (segells d'emergència LOCA)
3.2 Innovacions estructurals
- Anells de grafit energitzats per ressort:
- Molla d'inconel + llavi de grafit + anell antiextrusió
- Zero fuites després de LOCA (vapor saturat a 170 °C)
- Embalatge de grafit dividit:
- Disseny autoajustable amb angle de falca de 15°
-
Vida útil de 250.000 cicles (vàlvules nuclears de Fisher)
4. Verificació de condicions extremes
4.1 Prova d'envelliment per radiació (ASTM E521)
- Inconel 718: reducció del límit elàstic del 12% després d'irradiació de protons de 3 MeV/5 dpa
- Grafit nuclear: retenció de força >85% a 10²¹ n/cm²
4.2 Simulació LOCA (IEEE 317-2013)
- Seqüència15,5 MPa/350 ℃ estat estacionari → 0,2 MPa en 2 min → 24 h a 170 ℃ vapor
- CriterisSegells metàl·lics: fuita <1.0 Scc/s; Segells de grafit: sense fuites visibles
4.3 Proves sísmiques (ASME QME-1)
- OBE: vibració de 0,1 g/5-35 Hz/30 s
- SSE: simulació de la història temporal de 0,3 g
- Fluctuació de fuites postvibració <10%
5. Aplicacions típiques
5.1 Segells del cap del vas del reactor
- Brida de Ø5m, 60 anys sense manteniment, resistent a LOCA
- Solució: anells en C dobles d'Inconel 718 (primària) + grafit boronitzat (de reserva)
5.2 Segells de la bomba principal
- Anell giratori de ceràmica SiC (2800HV) + anell estacionari de grafit pirolític
- Suport de manxa Hastelloy® C276
- Fuita: <0,1 L/dia (dades de Hualong One)
5.3 Sistemes d'heli HTGR
- Junta tòrica d'aliatge Haynes® 230 (recoberta d'Al₂O₃)
- Grafit reforçat amb fibra de SiC (5× resistència al desgast)
6. Innovacions d'avantguarda
6.1 Segells de detecció intel·ligent
- Monitorització de danys neutrònics: càlcul de dpa mitjançant resistivitat (error <5%)
- Fibra òptica FBG: monitorització de la tensió en temps real (precisió de ±0,1 MPa)
6.2 Materials tolerants a accidents
- Segells metàl·lics autoreparables: microcàpsules metàl·liques de Field (segellat per fusió a 62 °C)
- Grafit densificat per CVD: porositat <0,1%
6.3 Solucions de reactors Gen-IV
| Tipus de reactor | Solució de segellat |
|---|---|
| Refrigerat amb sodi | Anell C recobert de Ta + empaquetadura BN |
| Sal fosa | Hastelloy N® + grafit pirolític |
| Fusió | Grafit reforçat amb W + Li líquid |
Filosofia de la Triple Barrera
Barrera 1: Segells metàl·lics
- L'Inconel 718 converteix una pressió del sistema de 15 MPa en una força de segellat de 300 MPa
- Barres de combustible d'aliatge de Zr: zero fuites a un consum de 40 GWd/tU
Barrera 2: Segells de grafit
- El grafit boronitzat forma vidre de borosilicat durant LOCA
- El grafit pirolític allibera gasos autolubricants a altes temperatures
Barrera 3: Monitorització intel·ligent
- Sensors de neutrons: alerta anticipada de 15 anys
- El bessó digital simula la integritat sísmica
Direccions futures
Amb els reactors de fusió i els SMR, la tecnologia de segellat evolucionarà cap a:
- Adaptació extrema a l'entorn (irradiació d'ions He/corrosió per sals foses)
- Miniaturització (segells de microesferes de combustible <1 mm de diàmetre)
El funcionament segur de les centrals nuclears durant 60 anys depèn d'aquestes "fortaleses de segellat" a escala centimètrica.
Data de publicació: 16 de juny de 2025