Ученые Программы устойчивого развития легководных реакторов Министерства энергетики (LWRS) и партнеры из Исследовательского института электроэнергетики (EPRI) провели первые испытания лазерных сварных швов для ремонта сильно облученных материалов в Национальной лаборатории Министерства энергетики в Окридже.
Сварочная система, спроектированная и установленная в горячей камере в Центре разработки радиохимических технологий ORNL, надежно закрывает оборудование для лазерной сварки и сварки трением с перемешиванием . Это позволит исследователям усовершенствовать сварочные технологии для ремонта облученных материалов путем разработки условий обработки и оценки свойств материалов после сварки.
По мере старения атомных электростанций материалы, облученные в течение нескольких десятилетий, могут потребовать ремонта или замены. В течение продолжительного срока эксплуатации американских атомных электростанций потребуются передовые методы сварки; строительство на большей части началось в 1970-х годах. Эти станции производят примерно 20 процентов электроэнергии в стране.
«Демонстрация передовых методов обработки облученных материалов - ключевой шаг в проверке ремонта сварных швов в качестве одной из стратегий смягчения последствий для продления срока службы компонентов и снижения затрат для ядерной промышленности», - сказал Кейт Леонард из ORNL, который возглавляет исследования в разделе «Путь старения и деградации материалов». для LWRS.
Стратегии смягчения последствий сосредоточены на экономичном ремонте или замене - в любом случае может потребоваться сварка. При длительной эксплуатации реакторов гелий образуется в результате 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 через более медленный двухэтапный процесс. Выработка гелия зависит от материала и его местоположения в реакторе, но для реакторов, срок эксплуатации которых превышает 60 лет на полную мощность, образование гелия в компонентах активной зоны может превышать 5-10 атомных частей на миллион - уровни, при которых традиционные методы сварки не могут быть адекватно использованы. ремонт комплектующих.
Тепло и напряжение заставляют гелий коалесцировать в нержавеющей стали, образуя пузырьки по границам между «зернами» или областями порядка микронного размера, которые ослабляют материал. Когда металл плавится и повторно затвердевает, различия в расширении и сжатии между недавно затвердевшим материалом и окружающим материалом могут создавать растягивающие напряжения вдоль ослабленных границ зерен, содержащих пузырьки гелия, 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 образование трещин.
17 ноября в ORNL были проведены первые испытания облученного материала с использованием техники лазерной сварки, в которой для сварки используется первичный лазер, а для уменьшения растягивающих напряжений вблизи зоны сварного шва - вторичные лучи (подана заявка на патент). Испытания проводились на образцах, известных как «купоны», облученной нержавеющей стали, легированной 5, 10 и 20 частями бора на миллион атомов. Из материалов были изготовлены купоны размером с игральную карту в ORNL, а затем они облучались в реакторе High Flux Isotope Reactor, учреждении для пользователей Управления науки Министерства энергетики в ORNL. Обильные энергичные нейтроны HFIR бомбардируют купоны, превращая бор в гелий, чтобы имитировать старение, которое произойдет в промышленном реакторе после десятилетий радиационного воздействия.
21 ноября на ORNL прошла первая сварка трением с перемешиванием облученной нержавеющей стали. В отличие от обычной дуговой сварки, в которой используются расплавленные материалы, сварка трением с перемешиванием - это метод твердотельного перемешивания, 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 сближают атомы, образуя единое целое», - пояснил Чжили Фэн, возглавляющий группу по объединению 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 отслеживает сварку трением с перемешиванием, чтобы определить условия, которые могут вызвать дефекты сварного шва.
«Обе технологии ремонтной сварки, разработанные в нашей программе, разработаны для« упреждающего »управления напряжениями во время сварки, поэтому они потенциально могут предложить решения для ремонта [внутренних] компонентов реактора с высоким содержанием гелия, что невозможно с сегодняшней технологией ремонта сварки», - сказал Фенг. «Поскольку реакторы продолжают стареть (а гелий продолжает генерироваться), промышленность все больше нуждается в технологиях для обработки сценариев с высоким уровнем гелия».
Предварительные наблюдения показали, что оба метода обеспечивают хорошее качество сварных швов.
«Сварочная горячая камера действительно сделала ORNL центром разработки новых технологий и технологий для коммерческого производства ядерной энергии», - сказал Леонард. Помимо лабораторных знаний в области лазерной сварки и определения характеристик 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 определения характеристик материалов после сварки, а также HFIR для создания испытательного материала и последующей проверки возраста. -сварочные материалы.
Затем исследователи будут изучать сварочные материалы с более высоким содержанием гелия и охарактеризовать облученные материалы после того, как они были сварены, с помощью таких методов, как микроструктурный анализ и оценка механических свойств. Они также повторно состаривают материал в HFIR, который подвергся ремонту сварного шва, чтобы увидеть, как дальнейшее старение влияет на сварные швы.
Программа LWRS проводит исследования и разработки, чтобы повысить безопасность, эффективность и экономичность ядерного парка нашей страны и продлить срок эксплуатации. EPRI, независимая некоммерческая организация, проводит исследования в поддержку безопасного, надежного, экономичного и экологически ответственного использования ядерной энергии в качестве варианта генерации. EPRI разрабатывает инструменты для развертывания этой технологии на атомных электростанциях для ремонта на месте. После выдачи совместного патента ORNL и EPRI компании могут лицензировать технологию для ремонта на месте.
«EPRI широко работает с исследователями из компаний и университетов, в данном случае с правительственной лабораторией, для решения проблем в области электричества, включая надежность, эффективность, доступность, здоровье, безопасность и окружающую среду», - сказал Грегори Фредерик, менеджер программы EPRI. «Мы сделали довольно большие инвестиции, потому что видим ценность в предоставлении новых знаний, необходимых отрасли. Нигде нет критической массы знаний и оборудования, которые предоставляет Окриджская национальная лаборатория».
