Zentral Nuklearreko Zigilatze Sistemak: Segurtasun-hesiak Muturreko Baldintzetan

Zentral nuklearren zirkuitu nagusian, ponpa nagusietan, lurrun-sorgailuetan eta balbula-sistemetan, zigilatze-osagaiek muturreko baldintzei aurre egiten diete, besteak beste, 350 °C-ko tenperatura altuko ura presurizatua, erradiazio bizia (10²¹ n/cm²), azido borikoaren korrosioa eta karga sismikoak. Matxurak isuri erradioaktiboak edo erreaktorea itzaltzea eragin dezake. Metalezko zigiluek eta grafitozko zigiluek babes bikoitzeko sistema bat osatzen dute uharte nuklearraren segurtasunerako, propietate osagarrien bidez. Artikulu honek zigilatze-teknologia nuklearra aztertzen du lau dimentsiotatik: materialen zientzia, egitura-diseinua, istripuen aurrean erantzuna eta punta-puntako berrikuntza.

​1. Zigilatze nuklearraren erronka muturrekoak​

​Funtzionamendu-parametro nagusiak:

• ​PWR350 °C / 15,5 MPa;BWR290°C/7.2MPa (materialaren mugimendua → zigilatze-presio espezifikoaren galera)
• ​Erradiazio KalteakNeutroi azkarren fluxua >10²¹ n/cm² (metalen hauskortasuna/grafitoaren hautsketa)
• ​Korrosio kimikoa1800 ppm azido borikoa + 2,2 ppm LiOH (tentsio-korrosioaren pitzadura)
• ​Karga dinamikoakSSE 0.3g + 20mm/s hodi-bibrazioa (zigilatzeko interfazearen mikro-irristaduraren ihesa)

​Zigilu nuklearraren metrika nagusiak:

• Diseinuaren iraupena ≥60 urte (EPR Gen-III eskakizuna)
• Isurketa-tasa ≤1×10⁻⁹ m³/s (ASME III eranskina)
• Mantendu zigilatzea LOCAren ondoren

​2. Metalezko zigiluak: erradiazioaren aurkako gotorlekua eta erresistentzia handia​

​2.1 Aleazio Nuklearreko Materialak​

• Inconel 718: 15 dpa erradiazioari eusten dio, 950MPa @350°C (ponpa nagusiko zigiluak)
• 316LN Altzairu Herdoilgaitza: 20 dpa erresistentzia, 450MPa @350°C (begizta nagusiko bridak)
• 690 aleazioa: 25 dpa erresistentzia, korrosio intergranularrari immunea (lurrun-sorgailuen hodi-orriak)
• Zirkoniozko aleazioa (Zr-2.5Nb): 100 dpa erresistentzia, 300MPa @400°C (erregai-hagatxoen zigiluak)

dpa = desplazamendu atomikoaren kaltea

​2.2 Egitura berritzaileak​

• ​Auto-energizatzen diren metalezko C eraztunak:
  • Presiopeko habe bikoitzeko hedapen erradiala (presioaren auto-hobekuntza)
  • <10⁻¹¹ m³/s isurketa @15MPa (Westinghouse AP1000 aplikazioa)
• ​Soldatutako metalezko hauspoak:

  • 50μm-ko Hastelloy® C276 xaflaren 100 laser bidez soldatutako geruza

  • ±15 mm-ko ardatz-konpentsazio gaitasuna (erresistentzia sismikoa)

​3. Grafitozko zigiluak: T handiko lubrifikazioaren eta larrialdiko zigilatzearen muina​

​3.1 Grafito nuklearraren errendimendua​

• Grafito isostatikoa: 1,85 g/cm³ dentsitatea, 90 MPa erresistentzia (balbula-betegarrien kaxak)
• Grafito pirolitikoa: 2,20 g/cm³ dentsitatea, μ=0,08 marruskadura-koefizientea (kontrol-barraren transmisioak)
• SiC-rekin indartutako grafitoa: 220MPa-ko indarra, 900°C-ko erresistentzia (HTGRak)
• Boroz infiltratutako grafitoa: 700 °C-ko oxidazio-erresistentzia (LOCA larrialdi-zigiluak)

​3.2 Egiturazko berrikuntzak​

• ​Malguki-energiaz elikatutako grafitozko eraztunak:
  • Inconel malgukia + grafito ezpaina + estrusioaren aurkako eraztuna
  • LOCA osteko isurketarik gabekoa (170 °C-ko lurrun saturatua)
• ​Grafitozko ontzi zatitua:
  • 15°-ko ziri-angeluko auto-estutze diseinua

  • 250.000 zikloko iraupena (Fisher balbula nuklearrak)

​4. Muturreko Baldintzen Egiaztapena​

​4.1 Erradiazio Zahartze Proba (ASTM E521)​

• Inconel 718: % 12ko etekin-indarraren murrizketa 3MeV-eko protoi/5dpa-ko irradiazioaren ondoren
• Grafito nuklearra: %85eko indarraren atxikipena baino handiagoa 10²¹ n/cm²-tan

​4.2 LOCA simulazioa (IEEE 317-2013)​

• ​Sekuentzia15.5MPa/350℃ egoera egonkorrean → 0.2MPa 2min-tan → 24h 170℃-tan lurruna
• ​IrizpideakMetalezko zigiluak <1.0 Scc/s-ko isuria; Grafitozko zigiluak: ez dago isuririk ikusgai

​4.3 Saiakuntza sismikoak (ASME QME-1)​​

• OBE: 0.1g/5-35Hz/30s bibrazioa
• SSE: 0,3g-ko denbora-historiaren simulazioa
• Bibrazio osteko isurketa-gorabehera <10%

​5. Aplikazio tipikoak​

​5.1 Erreaktore-ontziaren goialdearen zigiluak​

• Ø5m-ko brida, 60 urtez mantentze-lanik behar ez duena, LOCAren aurkakoa
• Irtenbidea: Inconel 718 C eraztun bikoitzak (lehen mailakoak) + borodun grafitoa (erreserbak)

​5.2 Ponpa nagusiaren zigiluak​

• SiC zeramikazko eraztun birakariak (2800HV) + grafito pirolitikozko eraztun finkoa
• Hastelloy® C276 hauspo-euskarria
• Isurketa: <0,1L/egun (Hualong One datuak)

​5.3 HTGR Helio Sistemak​

• Haynes® 230 aleaziozko O-eraztuna (Al₂O₃ estalitakoa)
• SiC zuntzez indartutako grafitoa (5× higadura-erresistentzia)

​6. Berrikuntza aurreratuak​

​6.1 Sentsore Adimendun Zigiluak​

• Neutroien kalteen monitorizazioa: dpa kalkulua erresistentziaren bidez (errorea <% 5)
• FBG zuntz optikoa: denbora errealeko tentsioaren monitorizazioa (±0.1MPa zehaztasuna)

​6.2 Istripuei aurre egiten dieten materialak​

• Auto-sendatzen diren metalezko zigiluak: Field-en metalezko mikrokapsulak (62 °C-ko urtze-zigilatzea)
• CVD bidez dentsifikatutako grafitoa: porositatea <0,1%

​6.3 IV. belaunaldiko erreaktoreen irtenbideak​

​Hirukoitzeko Hesiaren Filosofia​

​1. oztopoa: Metalezko zigiluak​

• Inconel 718-k 15MPa sistemaren presioa 300MPa zigilatzeko indar bihurtzen du.
• Zr aleaziozko erregai-barrak: zero isuri 40 GWd/tU errekuntzan

​2. hesia: Grafitozko zigiluak​

• Boronizatutako grafitoak borosilikatozko beira eratzen du LOCAren bidez
• Grafito pirolitikoak autolubrifikatzaile gasak askatzen ditu tenperatura altuetan

​3. oztopoa: Jarraipen adimenduna​

• Neutroi sentsoreak: 15 urteko alerta goiztiarra
• Bikote digitalak osotasun sismikoa simulatzen du

​Etorkizuneko norabideak​

Fusio erreaktoreekin eta SMRekin, zigilatzeko teknologiak honako norabideetara eboluzionatuko du:

1. Ingurunearekiko egokitzapen muturrekoa (He-ioi irradiazioa/gatz urtuen korrosioa)
2. Miniaturizazioa (erregai-mikrosfera zigiluak <1 mm-ko diametroarekin)
   Zentimetro eskalako "zigilatze gotorleku" hauen mende dago zentral nuklearren 60 urteko funtzionamendu segurua.