Προηγμένα Δοχεία Αντιδραστήρων Ενισχύουν τα Πρότυπα Πυρηνικής Ασφάλειας

Φανταστείτε έναν γίγαντα από χάλυβα θαμμένο βαθιά μέσα στον πυρήνα ενός πυρηνικού σταθμού, αντέχοντας απίστευτη πίεση και ακτινοβολία ενώ προστατεύει την προσπάθεια της ανθρωπότητας για καθαρή ενέργεια.Αυτό είναι το δοχείο πίεσης του αντιδραστήρα (RPV)Το άρθρο αυτό ερευνά αυτό το κρίσιμο στοιχείο, διερευνώντας την εξαιρετική μηχανική, την αυστηρή επιλογή υλικών και τις εξελισσόμενες τεχνολογίες ασφάλειας..

Το δοχείο πίεσης του αντιδραστήρα είναι ένα ζωτικό συστατικό των πυρηνικών σταθμών ενέργειας, που λειτουργεί ως ένα ισχυρό φρούριο που περιβάλλει το ψυκτικό υγρό του αντιδραστήρα, την ασπίδα του πυρήνα και τα συγκροτήματα καυσίμου.Σε αντίθεση με τους αντιδραστήρες RBMK της σοβιετικής εποχής, η οποία τοποθετούσε κάθε συγκρότημα καυσίμου σε μεμονωμένους σωλήνες διαμέτρου 8 εκατοστών, τα περισσότερα σύγχρονα πυρηνικά εργοστάσια βασίζονται σε RPV για ασφάλεια.Ενώ οι αντιδραστήρες ταξινομούνται συνήθως με τον τύπο ψυκτικού παρά με τη διαμόρφωση του δοχείου, η παρουσία και η σχεδίαση του δοχείου πίεσης επηρεάζουν άμεσα την ασφάλεια και την αποδοτικότητα της εγκατάστασης.

Οι κοινές ταξινομήσεις των αντιδραστήρων περιλαμβάνουν:

• Ελαφρόβια αντιδραστήρες (LWR):Ο πιο ευρέως χρησιμοποιούμενος τύπος, συμπεριλαμβανομένων των αντιδραστήρων υπό πίεση και των αντιδραστήρων βραχείου νερού.
• Πυρηνικοί αντιδραστήρες με μέτρηση γραφίτη:Παραδείγματος χάριν ο αντιδραστήρας του Τσερνομπίλ RBMK, με σχεδιασμούς εντελώς διαφορετικούς από τους περισσότερους πολιτικούς πυρηνικούς σταθμούς σε όλο τον κόσμο.
• Μηχανοκίνητοι κινητήρες:Συμπεριλαμβανομένων των προηγμένων αντιδραστήρων ψύξης με αέριο (AGR), των αντιδραστήρων ταχείας αναπαραγωγής ψύξης με αέριο και των αντιδραστήρων ψύξης με αέριο υψηλής θερμοκρασίας.
• Πυρηνικοί αντιδραστήρες βαρέος νερού υπό πίεση (PHWR):Χρησιμοποιώντας βαρύ νερό (ενωμένο με δευτέριο) ως μετριοπαραγωγό ή ψυκτικό.
• Πυρηνικά συστήματα για την παραγωγή ηλεκτρικών συσσωρευτώνΧρησιμοποιώντας λιωμένα μέταλλα όπως κράματα νατρίου ή μολύβδου-βίσμουτου για ψύξη.
• Αντιδραστήρες λιωμένου αλατιού (MSR):Χρησιμοποιώντας λιωμένα άλατα με βάση το φθόριο ως ψυκτικά.

Μεταξύ των μεγάλων τύπων αντιδραστήρων που χρησιμοποιούν δοχεία υπό πίεση, οι PWR αντιμετωπίζουν μια ξεχωριστή πρόκληση: η ακτινοβολία νετρονίων (ή ροή νετρονίων) κατά τη διάρκεια της λειτουργίας υπονομεύει σταδιακά τα υλικά των δοχείων.Τα δοχεία BWR, με μεγαλύτερο μέγεθος, παρέχουν καλύτερη ασπίδα νετρονίωνΕνώ αυτό αυξάνει το κόστος παραγωγής, εξαλείφει την ανάγκη για αναψύκωση για την παράταση της ζωής.

Για την παράταση της διάρκειας ζωής των σκαφών PWR, οι πάροχοι πυρηνικών υπηρεσιών όπως η Framatome (πρώην Areva) και οι φορείς εκμετάλλευσης αναπτύσσουν τεχνολογίες αναψύξης.υψηλής αξίας μέθοδος που αποσκοπεί στην αποκατάσταση των ιδιοτήτων υλικών που έχουν υποβαθμισθεί από παρατεταμένη ακτινοβολία.

Παρά τις διαφορές σχεδιασμού, όλα τα δοχεία πίεσης PWR έχουν κοινά βασικά χαρακτηριστικά:

• Σώμα σκάφους:Το μεγαλύτερο συστατικό, που περιέχει τα συστατικά καυσίμου, το ψυκτικό και τις δομές υποστήριξης.
• Κεφαλίδα σκάφους:Τοποθετείται στο πάνω μέρος και περιέχει διείσδυση για τις μονάδες κίνησης των ράβδων ελέγχου και τους ανιχνευτές επιπέδου ψυκτικού.
• Συγκροτήματα καυσίμων:"Προσωπικά όργανα" που είναι εξοπλισμένα με "πυρηνικά όργανα" ή "πυρηνικά όργανα".
• Προστασία πυρήνα:Ένα κυλινδρικό φράγμα που προστατεύει το αγγείο από τα γρήγορα νετρόνια, τα οποία προκαλούν εύθραυστο.

Τα υλικά RPV πρέπει να αντέχουν σε υψηλές θερμοκρασίες και πιέσεις, ελαχιστοποιώντας παράλληλα τη διάβρωση.Τα καβούρια των πλοίων χρησιμοποιούν συνήθως φερριτικό χάλυβα χαμηλής σύνθεσης επικάλυψη με 3-10 mm αυστενιτικού ανοξείδωτου χάλυβα (για περιοχές επαφής με ψυκτικό υγρό)Οι εξελισσόμενοι σχεδιασμοί έχουν ενσωματώσει πλούσια σε νικέλιο κράματα όπως τα SA-302 Β (Mo-Mn steel) και τα SA-533/SA-508 για βελτιωμένη αντοχή.Αυτοί οι φερριτικοί χάλυβες Ni-Mo-Mn προσφέρουν υψηλή θερμική αγωγιμότητα και αντοχή σε σοκ, αλλά η ανταπόκριση τους στην ακτινοβολία παραμένει κρίσιμη..

Το 2018, η Rosatom ανέπτυξε τεχνολογία θερμικής αναψίξεως για την άμβλυνση της βλάβης από την ακτινοβολία, παρατείνοντας τη διάρκεια ζωής του σκάφους κατά 15-30 χρόνια (δημιουργήθηκε στην μονάδα 1 του Balakovo).Τα πυρηνικά περιβάλλοντα υποβάλλουν υλικά σε αμείλικτο βομβαρδισμό σωματιδίωνΤα ελαττώματα αυτά, τα κενά, οι εκτοπίσεις ή τα συσσωρεύματα διαλυμένων υλικών, συσσωρεύονται με την πάροδο του χρόνου, σκληρύνοντας τα υλικά ενώ μειώνουν την ευελιξία.Ακαθαρσίες χαλκού (> 0)0,1 wt%) επιδεινώνουν την ευθραυστότητα, οδηγώντας στην ζήτηση "καθαρότερων" χάλυβα.

Η παραμόρφωση του πλαστικού υπό συνεχή πίεση εντείνεται σε υψηλές θερμοκρασίες λόγω της ταχύτερης μετανάστευσης των ελαττωμάτων.Ενώ τα ιόντα υδρογόνου (από την ακτινολύση του ψυκτικού) προκαλούν διάσπαση διά διά διάταξης διά διά διά διάταξης μέσω τριών θεωρητικών μηχανισμών: μείωση της συνοχής, εσωτερική πίεση ή φουσκώματα μεθανίου.

Οι νέες προσεγγίσεις στοχεύουν στη σταθεροποίηση των εκτοπισμένων ατόμων χρησιμοποιώντας όρια κόκκων, υπερμεγέθη διαλυτών ή διασπορές οξειδίων (π.χ. ιττρία).βελτίωση της ευελιξίας και της αντοχής σε ρωγμέςΑπαιτείται περαιτέρω έρευνα για τη βελτιστοποίηση των ανθεκτικών στις ακτινοβολίες κράμάτων.

Από το 2020, οι κύριοι κατασκευαστές RPV περιλαμβάνουν:

• Κίνα: China First Heavy Industries, Erzhong, Harbin Electric, Shanghai Electric
• Γαλλία: Framatome
• Ινδία: Ειδικοί χάλυβες L&T (με BARC/NPCIL)
• Ιαπωνία: Japan Steel Works, IHI Corporation
• Ρωσία: OMZ-Izhora, ZiO-Podolsk, AEM-Atommash
• Νότια Κορέα: Doosan
• Ηνωμένο Βασίλειο: Rolls-Royce (ναυτικοί αντιδραστήρες)