سفینه های رآکتور پیشرفته استانداردهای ایمنی هسته ای را تقویت می کنند

تصور کنید یک غول فولادی که در اعماق هسته یک نیروگاه هسته ای دفن شده، با فشار و تشعشعات غیر قابل تصور در حالی که از تلاش بشریت برای انرژی پاک محافظت می کند، تحمل می کند.این ظرف فشار راکتور (RPV) استاین مقاله به این بخش حیاتی می پردازد و مهندسی استثنایی آن، انتخاب دقیق مواد و تکنولوژی های ایمنی در حال تکامل را بررسی می کند..

ظرف فشار راکتور یک جزء حیاتی از نیروگاه های هسته ای است، که به عنوان یک قلعه محکم عمل می کند که مایع خنک کننده راکتور، سپر هسته ای و مجموعه سوخت را احاطه می کند.بر خلاف رآکتورهای RBMK دوران شوروی، که هر مجموعه سوخت را در لوله های قطر 8 سانتی متری قرار می دهد، اکثر نیروگاه های هسته ای مدرن برای ایمنی به RPV ها تکیه می کنند.در حالی که راکتورها به طور معمول بر اساس نوع مایع خنک کننده به جای پیکربندی ظرف طبقه بندی می شوند، وجود و طراحی مخزن تحت فشار به طور مستقیم بر ایمنی و کارایی یک نیروگاه تاثیر می گذارد.

طبقه بندی های مشترک راکتور شامل:

• راکتورهای آب سبک:بیشترین نوع استفاده شده، از جمله راکتورهای آب تحت فشار (PWR) و راکتورهای آب جوش (BWR).
• رآکتورهای با گرافیت:نمونه ای از آن راکتور RBMK چرنوبیل است، که طراحی آن کاملاً با اکثر نیروگاه های هسته ای غیرنظامی در سراسر جهان متفاوت است.
• راکتورهای حرارتی خنک کننده گاز:از جمله راکتورهای پیشرفته خنک شده با گاز (AGRs) ، راکتورهای تولید سریع خنک شده با گاز و راکتورهای خنک شده با گاز با دمای بالا.
• راکتورهای آب سنگین تحت فشار (PHWR):استفاده از آب سنگین (از دوتریوم غنی شده) به عنوان یک خنک کننده یا مایع خنک کننده. راکتور CANDU کانادا یک PHWR برجسته است.
• راکتورهای خنک شده با فلز مایع:استفاده از فلزات ذوب شده مانند اسید سدیم یا آلیاژ های سرب-بیسموت برای خنک کردن.
• رآکتورهای نمک ذوب شده (MSR):از نمک های ذوب شده مبتنی بر فلوراید به عنوان مایعات خنک کننده استفاده می کنند. در دمای بالا و فشار پایین کار می کنند، MSR ها فشار را بر روی ظروف راکتور کاهش می دهند.

در میان انواع اصلی راکتور که از ظرف های تحت فشار استفاده می کنند، PWR ها با یک چالش مشخص روبرو هستند: تابش نوترونی (یا جریان نوترونی) در طول کار به تدریج مواد ظرف را شکننده می کند.ظرف های BWR ٬ اندازه بزرگتر ٬ محافظت بهتر از نوترون را فراهم می کننددر حالی که این باعث افزایش هزینه های تولیدی می شود، نیاز به آنلایینگ برای افزایش عمر خدمت را از بین می برد.

برای افزایش طول عمر کشتی های PWR، ارائه دهندگان خدمات هسته ای مانند Framatome (قبلا Areva) و اپراتورها در حال توسعه فن آوری های گرمایش هستند.فرآیند با ارزش بالا با هدف بازگرداندن خواص مواد تخریب شده توسط تشعشع طولانی مدت.

علیرغم تغییرات طراحی، تمام ظروف فشار PWR ویژگی های کلیدی مشترک دارند:

• بدن کشتی:بزرگترین قطعه، محوطه ساز سوخت، مایع خنک کننده و سازه های پشتیبان. به طور معمول استوانه ای با باز شدن بالا برای بارگذاری سوخت.
• سر کشتی:به قسمت بالا متصل شده و حاوی سوراخ هایی برای محرک های میله کنترل و سنجه های سطح مایع خنک کننده است.
• اجسام سوخت:مجموعه ای از میله های شبکی که حاوی اورانیوم یا مخلوط اورانیوم و پلوتونیوم هستند.
• محافظ هسته:یک مانع استوانه ای که از ظرف در برابر نوترون های سریع محافظت می کند که باعث شکنندگی می شود.

مواد RPV باید در برابر دما و فشار بالا در حالی که حداقل خوردگی را تحمل کنند.پوسته های کشتی معمولاً از فولاد فرریت کم آلیاژ پوشانده شده با فولاد ضد زنگ 3-10 میلی متری استنیتی استفاده می کنند (برای مناطق تماس با مایع خنک کننده)طرح های در حال تکامل شامل آلیاژ های غنی شده از نیکل مانند SA-302 B (فولاد Mo-Mn) و درجه های SA-533 / SA-508 برای افزایش قدرت تولید شده است.این فولادهای فیریتک Ni-Mo-Mn دارای رسانایی حرارتی بالا و مقاومت در برابر ضربه هستند، اما پاسخ تابش آنها همچنان مهم است..

در سال ۲۰۱۸، روساتوم فناوری گرمایش حرارتی را برای کاهش آسیب های تابش توسعه داد و عمر کشتی را ۱۵ تا ۳۰ سال افزایش داد (که در واحد ۱ بالاکوو نشان داده شد).محیط های هسته ای مواد را تحت بمباران ذرات بی امان قرار می دهنداین نقص ها (خلاء، انحراف یا خوشه های محلول) در طول زمان تجمع می کنند و مواد را سخت می کنند در حالی که انعطاف پذیری را کاهش می دهند.ناخالصی های مس (> 0.1wt) ، افزایش شکنندگی و افزایش تقاضا برای فولاد های "پاکتر".

در درجه حرارت بالا به دلیل مهاجرت سریع تر نقص، تغییر شکل پلاستیکی تحت فشار مداوم بیشتر می شود.در حالی که یون های هیدروژن (از رادیولیز مایع خنک کننده) موجب ترک خوردگی استرس از طریق سه مکانیسم نظری می شوند: کاهش انسجام، فشار داخلی، و یا پف شدن متان.

روش های جدید با استفاده از مرز دانه ها، محلول های بزرگ یا پراکندگی اکسید ها (به عنوان مثال یتریا) ، اتم های جابجا شده را ثبات می دهند. این موارد جداسازی عناصر را کاهش می دهند.بهبود انعطاف پذیری و مقاومت در برابر ترکتحقیقات بیشتری برای بهینه سازی آلیاژ های مقاوم در برابر تشعشعات مورد نیاز است.

از سال 2020، تولید کنندگان اصلی RPV عبارتند از:

• چین: صنایع سنگین اول چین، ارژونگ، هاربین الکتریک، شانگهای الکتریک
• فرانسه: Framatome
• هند: فولاد های ویژه L&T (با BARC/NPCIL)
• ژاپن: کارخانه فولاد ژاپن، شرکت IHI
• روسیه: OMZ-Izhora، ZiO-Podolsk، AEM-Atommash
• کره جنوبی: دوسان
• انگلستان: رولز-رویز (ریاکتورهای دریایی)