בלולאה הראשונית, משאבות ראשיות, גנרטורים קיטור ומערכות שסתומים של תחנות כוח גרעיניות, רכיבי איטום עומדים בתנאים קיצוניים, כולל מים בלחץ גבוה של 350 מעלות צלזיוס, קרינה עזה (10²¹ ניוטון/סמ"ר), קורוזיה של חומצה בורית ועומסים סייסמיים. כשל עלול לגרום לדליפה רדיואקטיבית או לכיבוי כורים. אטמי מתכת ואטמי גרפיט יוצרים מערכת הגנה כפולה לבטיחות אי גרעיני באמצעות תכונות משלימות. מאמר זה מנתח טכנולוגיית איטום ברמה גרעינית מארבעה ממדים: מדע חומרים, תכנון מבני, תגובה לתאונות וחדשנות פורצת דרך.
1. אתגרים קיצוניים של איטום גרעיני
פרמטרים תפעוליים מרכזיים:
- אנרגיה חשמלית (PWR)350°C/15.5MPa;BWR290°C/7.2MPa (זחילת חומר → אובדן לחץ ספציפי לאיטום)
- נזקי קרינהשטף נויטרונים מהיר >10²¹ n/cm² (שבירות מתכת/כתישה של גרפיט)
- קורוזיה כימיתחומצה בורית 1800ppm + 2.2ppm LiOH (סדקים עקב קורוזיה במאמץ)
- עומסים דינמייםרטט צינור SSE 0.3g + 20 מ"מ/שנייה (דליפת מיקרו-החלקה בממשק האיטום)
מדדים מרכזיים של חותם גרעיני:
- אורך חיים מתוכנן ≥60 שנים (דרישת EPR Gen-III)
- קצב דליפה ≤1×10⁻⁹ מ"ק/שנייה (נספח ASME III)
- שמור על איטום לאחר LOCA
2. אטמי מתכת: מבצר מפני קרינה וחוזק גבוה
2.1 חומרי סגסוגת גרעינית
- אינקונל 718: עמיד בפני קרינה של 15 dpa, 950MPa ב-350°C (אטמי המשאבה הראשיים)
- פלדת אל-חלד 316LN: התנגדות של 20 dpa, 450MPa ב-350°C (אוגנים ראשוניים)
- סגסוגת 690: עמידות ל-25 dpa, חסינה בפני קורוזיה בין-גרגירית (יריעות צינורות של מחולל קיטור)
- סגסוגת זירקוניום (Zr-2.5Nb): התנגדות של 100 dpa, 300MPa ב-400°C (אטמי מוט דלק)
dpa = נזק עקירה אטומית
2.2 מבנים חדשניים
- טבעות C מתכתיות בעלות אנרגיה עצמית:
- התפשטות רדיאלית של קורה כפולה תחת לחץ (הגברה עצמית בלחץ)
- דליפה של פחות מ-10⁻¹¹ מ"ק/שנייה @15MPa (יישום Westinghouse AP1000)
- מפוח מתכת מרותך:
-
100 שכבות של רדיד Hastelloy® C276 בעובי 50 מיקרון מרותכות בלייזר
- קיבולת פיצוי צירי של ±15 מ"מ (התנגדות סייסמית)
-
3. אטמי גרפיט: ליבת שימון עמידות גבוהה ואיטום חירום
3.1 ביצועי גרפיט גרעיני
- גרפיט איזוסטטי: צפיפות 1.85 גרם/סמ"ק, חוזק 90 מגה פסקל (קופסאות סתימה של שסתומים)
- גרפיט פירוליטי: צפיפות 2.20 גרם/סמ"ק, מקדם חיכוך μ=0.08 (הנעת מוט בקרה)
- גרפיט מחוזק בסיליקון: חוזק של 220 מגה פסקל, עמידות בטמפרטורה של 900 מעלות צלזיוס (HTGRs)
- גרפיט מוחלש בבורון: עמידות בפני חמצון ב-700°C (אטמי חירום LOCA)
3.2 חידושים מבניים
- טבעות גרפיט קפיציות:
- קפיץ אינקונל + שפה גרפיט + טבעת נגד שיחול
- אפס דליפה לאחר LOCA (קיטור רווי 170°C)
- אריזת גרפיט מפוצלת:
- עיצוב הידוק עצמי בזווית טריז של 15°
-
אורך חיים של 250,000 מחזורים (שסתומי פישר גרעיניים)
4. אימות מצב קיצוני
4.1 בדיקת הזדקנות קרינה (ASTM E521)
- אינקונל 718: הפחתת חוזק כניעה של 12% לאחר הקרנה של פרוטון 3MeV/5dpa
- גרפיט גרעיני: שימור חוזק של >85% ב-10²¹ n/cm²
4.2 סימולציית LOCA (IEEE 317-2013)
- רֶצֶף15.5MPa/350℃ מצב יציב → 0.2MPa ב-2 דקות → 24 שעות בקיטור של 170℃
- קריטריוניםאטמי מתכת <1.0 דליפה Scc/s; אטמי גרפיט: אין דליפה נראית לעין
4.3 בדיקות סייסמיות (ASME QME-1)
- OBE: רטט של 0.1 גרם/5-35 הרץ/30 שניות
- SSE: סימולציית היסטוריית זמן של 0.3 גרם
- תנודות דליפה לאחר רטט <10%
5. יישומים אופייניים
5.1 אטמי ראש כלי הכור
- אוגן Ø5 מטר, ללא תחזוקה למשך 60 שנה, עמיד בפני LOCA
- פתרון: טבעות C כפולות של אינקונל 718 (ראשוניות) + גרפיט בורון (גיבוי)
5.2 אטמי המשאבה הראשיים
- טבעת מסתובבת קרמית SiC (2800HV) + טבעת נייחת גרפיט פירוליטי
- תמיכת מפוח Hastelloy® C276
- דליפה: <0.1 ליטר/יום (נתוני Hualong One)
5.3 מערכות הליום HTGR
- טבעת O מסגסוגת Haynes® 230 (מצופה Al₂O₃)
- גרפיט מחוזק בסיבי SiC (עמידות בפני שחיקה פי 5)
6. חידושים פורצי דרך
6.1 אטמי חישה חכמים
- ניטור נזקי נויטרונים: חישוב dpa באמצעות התנגדות (שגיאה <5%)
- סיב אופטי FBG: ניטור מתח בזמן אמת (דיוק של ±0.1MPa)
6.2 חומרים עמידים לתאונות
- אטמי מתכת בעלי יכולת ריפוי עצמי: מיקרו-קפסולות מתכת של Field's (איטום בהתכה ב-62°C)
- גרפיט צפוף CVD: נקבוביות <0.1%
6.3 פתרונות כור דור IV
| סוג הכור | פתרון איטום |
|---|---|
| מקורר בנתרן | טבעת C מצופה Ta + אריזה BN |
| מלח מותך | גרפיט פירוליטי + Hastelloy N® |
| הַתָכָה | גרפיט מחוזק ב-W + ליתיום נוזלי |
פילוסופיית המכשול המשולש
מחסום 1: אטמי מתכת
- אינקונל 718 ממיר לחץ מערכת של 15MPa לכוח איטום של 300MPa
- מוטות דלק מסגסוגת Zr: אפס דליפה בשריפה של 40GWd/tU
מחסום 2: אטמי גרפיט
- גרפיט בורונזי יוצר זכוכית בורוסיליקט במהלך LOCA
- גרפיט פירוליטי משחרר גזים בעלי סיכה עצמית בטמפרטורות גבוהות
מחסום 3: ניטור חכם
- חיישני נויטרונים: התרעה מוקדמת של 15 שנה
- תאום דיגיטלי מדמה שלמות סייסמית
כיוונים עתידיים
עם כורי היתוך וכלי SMR, טכנולוגיית האיטום תתפתח לכיוון:
- הסתגלות קיצונית לסביבה (קרינת יוני He/קורוזיה של מלח מותך)
- מזעור (אטמי מיקרוסקופי דלק בקוטר של פחות מ-1 מ"מ)
הפעלה בטוחה של כורים גרעיניים במשך 60 שנה מסתמכת על "מבצרי איטום" אלה, בקנה מידה של סנטימטרים.
זמן פרסום: 16 ביוני 2025