Ученые из Программы устойчивого развития легководных реакторов Министерства энергетики (LWRS) и партнеры из Исследовательского института электроэнергетики (EPRI) провели первые испытания сварки для ремонта сильно облученных материалов в Национальной лаборатории Министерства энергетики в Ок-Ридже.
Сварочная система, спроектированная и установленная в горячей камере Центра развития радиохимической техники ORNL, надежно закрывает оборудование для лазерной сварки и сварки трением с перемешиванием. Это позволит исследователям совершенствовать технологии сварки для ремонта облученных материалов за счет разработки условий обработки и оценки свойств материалов после сварки.
По мере старения атомных электростанций материалы, которые подвергались облучению в течение нескольких десятилетий, могут потребовать ремонта или замены. Передовые методы сварки потребуются во время продления срока службы американских атомных электростанций; строительство большинства из них началось в 1970-х годах. Эти электростанции производят примерно 20 процентов электроэнергии страны.
«Демонстрация передовых технологий для облученных материалов является ключевым шагом в проверке ремонта сварных швов как одной из стратегий смягчения последствий для продления срока службы компонентов и снижения затрат для атомной промышленности», - сказал Кит Леонард из ORNL, который возглавляет исследования в области Пути старения и деградации материалов для LWRS.
Стратегии смягчения последствий сосредоточены на рентабельном ремонте или замене - в любом случае может потребоваться сварка. Во время длительной эксплуатации реакторов гелий образуется за счет трансмутации примесей бора в результате реакции с нейтронами из активной зоны реактора. Кроме того, никель, обычный легирующий элемент в конструкционных сплавах, также будет генерировать гелий, но в более медленном двухстадийном процессе. Генерация гелия зависит от материала и его расположения в реакторе, но для реакторов со сроком службы более 60 лет на полной мощности образование гелия в компонентах активной зоны может превышать 5-10 атомных частей на миллион - уровни, при которых традиционные методы сварки не могут быть использованы для адекватного компоненты для ремонта.
Нагрев и напряжение заставляют гелий сливаться в нержавеющей стали, образуя пузырьки вдоль границ между «зернами» или микронными областями порядка, которые ослабляют материал. Когда металл расплавляется и повторно затвердевает, различия в расширении и сжатии между недавно затвердевшим материалом и окружающим материалом могут создавать растягивающие напряжения вдоль ослабленных границ зерен, содержащих гелиевые пузырьки, вызывая трещины. «Это самая большая проблема, с которой мы сталкиваемся при сварке облученных материалов», - сказал Леонард. В системе ORNL-EPRI используются передовые методы, которые создают меньшее напряжение, чем обычная сварка, тем самым уменьшая растрескивание.
В нояб.17, первые испытания облученного материала были проведены в ORNL с использованием метода лазерной сварки [видео на https://www.youtube.com/embed/-noWqJ12vMg], в котором используется первичный лазер для сварки и вторичные лучи для уменьшения прочности на растяжение. напряжения вблизи зоны сварки (подана заявка на патент). Испытания проводились на образцах, известных как «купоны», из облученной нержавеющей стали, легированной 5, 10 и 20 частями бора на миллион атомов. Материалы были изготовлены в виде купонов размером с игральную карту в ORNL, а затем облучены в высокопоточном изотопном реакторе, исследовательском центре Министерства энергетики США в ORNL. Массивные, энергичные нейтроны HFIR бомбардируют купоны, превращая бор в гелий, чтобы имитировать старение, которое может произойти в коммерческом реакторе после десятилетий радиационного облучения.
ноябрь. 21 января в ORNL была проведена первая сварка трением с перемешиванием [фильм на https://www.youtube.com/embed/O-YmORuLsug] облученной нержавеющей стали. В отличие от обычной дуговой сварки, в которой используются расплавленные материалы, сварка трением с перемешиванием представляет собой метод смешивания в твердом состоянии, в котором используется вращающийся инструмент для создания трения и тепла, которые размягчают материалы, но не плавят их.«На микроскопическом уровне атомы каждого куска материала сближаются, и силы притяжения притягивают атомы друг к другу, образуя один кусок», - объясняет Чжили Фенг, руководитель группы по соединению материалов ORNL. Поскольку сварка трением с перемешиванием происходит ниже точки плавления, она позволяет избежать растрескивания при ремонтной сварке облученных и гелийсодержащих материалов. Искусственная нейронная сеть контролирует сварку трением с перемешиванием, чтобы обнаружить условия, которые могут вызвать дефекты сварки.
«Обе технологии ремонтной сварки, разработанные в рамках нашей программы, разработаны для «упреждающего» управления напряжениями во время сварки, поэтому они потенциально предлагают решения для ремонта [внутренних] компонентов реактора с высоким уровнем гелия, что невозможно при сегодняшней технологии ремонта сваркой», - сказал Фэн. «Поскольку реакторы продолжают стареть (а гелий продолжает генерироваться), промышленность все больше нуждается в технологиях для работы в сценариях с высоким уровнем гелия».
Предварительные наблюдения показали, что обе технологии обеспечивают высокое качество сварных швов.
«Сварочная горячая камера действительно сделала ORNL центром разработки новых методов и новых технологий для коммерческого производства атомной энергии», - сказал Леонард. В дополнение к лабораторному опыту в сварке и характеристике материалов, сильные стороны ORNL включают в себя различные близлежащие объекты, такие как другие горячие камеры и Лаборатория разработки и анализа материалов с низкой активацией для поддержки характеристики материалов после сварки, а также HFIR для создания тестового материала и дальнейшего постстарения. -сварные материалы.
Далее исследователи изучат сварочные материалы с более высоким содержанием гелия и охарактеризуют облученные материалы после их сварки, используя методы, включающие микроструктурный анализ и оценку механических свойств. Они также повторно состарят в HFIR материал, который подвергся ремонту сварных швов, чтобы увидеть, как дальнейшее старение влияет на сварные швы.
Программа LWRS проводит исследования и разработки для повышения безопасности, эффективности и экономичности атомного флота нашей страны и продления срока службы. EPRI, независимая некоммерческая организация, проводит исследования в поддержку безопасного, надежного, рентабельного и экологически ответственного использования ядерной энергии в качестве варианта производства электроэнергии. EPRI разрабатывает инструменты для развертывания технологии на атомных электростанциях для ремонта на месте. Как только ORNL и EPRI выдадут совместный патент, компании смогут лицензировать технологию для проведения ремонта на месте.
"EPRI широко сотрудничает с исследователями из компаний и университетов, в данном случае с государственной лабораторией, для решения проблем в области электричества, включая надежность, эффективность, доступность, здоровье, безопасность и окружающую среду", - сказал Грегори Фредерик, EPRI. менеджер программы. «Мы сделали довольно большие инвестиции, потому что видим ценность предоставления новых знаний, в которых нуждается промышленность. Нигде нет критической массы опыта и оборудования, которые предоставляет Национальная лаборатория Ок-Риджа».
Поддержка исследований и разработок для этого проекта была предоставлена Управлением по атомной энергии Министерства энергетики США по программе LWRS, Программой долгосрочных операций EPRI и ORNL. DOE и EPRI разделили расходы на разработку, проектирование, изготовление, оборудование и расходы на испытания, а ORNL поддержала расходы, связанные с установкой. Промышленность может получить доступ к этой возможности через возможности финансирования Управления ядерной энергетики Министерства энергетики США или партнерские механизмы ORNL.