În bucla primară, pompele principale, generatoarele de abur și sistemele de valve ale centralelor nucleare, componentele de etanșare rezistă la condiții extreme, inclusiv apă sub presiune la temperatură înaltă de 350°C, radiații intense (10²¹ n/cm²), coroziunea acidului boric și sarcini seismice. Defectarea poate provoca scurgeri radioactive sau oprirea reactorului. Garniturile metalice și garniturile din grafit formează un sistem de protecție dublă pentru siguranța insulei nucleare prin proprietăți complementare. Acest articol analizează tehnologia de etanșare de grad nuclear din patru dimensiuni: știința materialelor, proiectarea structurală, răspunsul la accidente și inovația de vârf.
1. Provocările extreme ale etanșării nucleare
Parametri de funcționare principali:
- PWR350°C/15,5MPa;BWR290°C/7,2MPa (curgerea materialului → pierderea presiunii specifice de etanșare)
- Daune provocate de radiațiiFluență neutronică rapidă >10²¹ n/cm² (fragilizare metal/pulverizare grafit)
- Coroziune chimică1800 ppm acid boric + 2,2 ppm LiOH (fisurare prin coroziune sub stres)
- Încărcări dinamiceVibrații ale conductei SSE 0,3g + 20 mm/s (scurgere prin micro-alunecare la interfața de etanșare)
Indicatori cheie ai sigiliului nuclear:
- Durata de viață proiectată ≥60 ani (cerința EPR Gen-III)
- Rată de scurgere ≤1×10⁻⁹ m³/s (Anexa ASME III)
- Mențineți etanșarea după LOCA
2. Garnituri metalice: Fortăreață împotriva radiațiilor și rezistență ridicată
2.1 Materiale din aliaje nucleare
- Inconel 718: Rezistă la radiații de 15 dpa, 950 MPa la 350°C (etanșări ale pompei principale)
- Oțel inoxidabil 316LN: rezistență 20 dpa, 450 MPa la 350°C (flanșe cu buclă principală)
- Aliaj 690: rezistență de 25 dpa, imun la coroziune intergranulară (placi tubulare generatoare de abur)
- Aliaj de zirconiu (Zr-2.5Nb): rezistență 100 dpa, 300MPa la 400°C (etanșări bară de combustibil)
dpa = deteriorare prin deplasare atomică
2.2 Structuri inovatoare
- Inele metalice C autoenergizante:
- Expansiune radială sub presiune a grinzii cu două arcuri (auto-amplificare a presiunii)
- Scurgere <10⁻¹¹ m³/s la 15MPa (aplicație Westinghouse AP1000)
- Burdufuri metalice sudate:
-
100 de straturi sudate cu laser de folie Hastelloy® C276 de 50 μm
- Capacitate de compensare axială ±15 mm (rezistență seismică)
-
3. Garnituri din grafit: Nucleu de lubrifiere de înaltă rezistență și etanșare de urgență
3.1 Performanța grafitului nuclear
- Grafit izostatic: densitate 1,85 g/cm³, rezistență 90 MPa (presetupe de supape)
- Grafit pirolitic: densitate 2,20 g/cm³, coeficient de frecare μ=0,08 (acționări ale tijei de control)
- Grafit armat cu SiC: rezistență de 220 MPa, rezistență la 900°C (HTGR)
- Grafit infiltrat cu bor: rezistență la oxidare de 700°C (etanșări de urgență LOCA)
3.2 Inovații structurale
- Inele de grafit cu arc:
- Arc Inconel + buză de grafit + inel anti-extrudare
- Zero scurgeri post-LOCA (abur saturat la 170°C)
- Ambalare din grafit divizată:
- Design auto-strângător cu unghi de pană de 15°
-
Durată de viață de 250.000 de cicluri (valve nucleare Fisher)
4. Verificarea condițiilor extreme
4.1 Test de îmbătrânire la radiații (ASTM E521)
- Inconel 718: reducere cu 12% a limitei de curgere după iradiere cu protoni de 3 MeV/5 dpa
- Grafit nuclear: retenție a rezistenței >85% la 10²¹ n/cm²
4.2 Simulare LOCA (IEEE 317-2013)
- Secvenţă15,5 MPa/350 ℃ stare staționară → 0,2 MPa în 2 min → 24 h la 170 ℃ abur
- CriteriiGarnituri metalice <1,0 Scc/s scurgeri; Garnituri din grafit: fără scurgeri vizibile
4.3 Testare seismică (ASME QME-1)
- OBE: vibrații 0,1 g/5-35 Hz/30 s
- SSE: simulare istorică în timp de 0,3 g
- Fluctuația scurgerilor post-vibrație <10%
5. Aplicații tipice
5.1 Garnituri de etanșare ale chiulasei vasului reactorului
- Flanșă Ø5m, fără întreținere timp de 60 de ani, rezistentă la LOCA
- Soluție: Inele C duble din Inconel 718 (principale) + grafit borizat (de rezervă)
5.2 Garnituri ale pompei principale
- Inel rotativ ceramic SiC (2800HV) + inel staționar din grafit pirolitic
- Suport burduf Hastelloy® C276
- Scurgere: <0,1 l/zi (date Hualong One)
5.3 Sisteme de heliu HTGR
- Inel O din aliaj Haynes® 230 (acoperit cu Al₂O₃)
- Grafit armat cu fibre de SiC (rezistență la uzură de 5×)
6. Inovații de ultimă generație
6.1 Garnituri cu senzori inteligenți
- Monitorizarea daunelor neutronice: calculul dpa prin rezistivitate (eroare <5%)
- Fibră optică FBG: monitorizare a tensiunii în timp real (precizie ±0,1 MPa)
6.2 Materiale rezistente la accidente
- Sigilii metalice auto-reparatoare: microcapsule metalice Field (sigilare prin topire la 62°C)
- Grafit densificat prin CVD: porozitate <0,1%
6.3 Soluții pentru reactoare Gen-IV
| Tipul reactorului | Soluție de etanșare |
|---|---|
| Răcit cu sodiu | Inel C acoperit cu Ta + garnitură BN |
| Sare topită | Hastelloy N® + grafit pirolitic |
| Fuziune | Grafit armat cu W + Li lichid |
Filosofia Triplei Bariere
Bariera 1: Sigilii metalice
- Inconel 718 transformă presiunea sistemului de 15 MPa într-o forță de etanșare de 300 MPa
- Bare de combustibil din aliaj de Zr: zero scurgeri la o ardere de 40 GWd/tU
Bariera 2: Garnituri de grafit
- Grafitul boronizat formează sticlă borosilicată în timpul LOCA
- Grafitul pirolitic eliberează gaze autolubrifiante la temperaturi ridicate
Bariera 3: Monitorizare inteligentă
- Senzori de neutroni: avertizare timpurie de 15 ani
- Geamănul digital simulează integritatea seismică
Direcții viitoare
Cu reactoarele de fuziune și SMR-urile, tehnologia de etanșare va evolua către:
- Adaptare extremă la mediu (iradiere cu ioni de He/coroziune cu săruri topite)
- Miniaturizare (etanșări cu microsfere de combustibil cu diametru <1 mm)
Funcționarea în siguranță a centralelor nucleare timp de 60 de ani se bazează pe aceste „fortărețe de etanșare” la scară centimetrică.
Data publicării: 16 iunie 2025