Gelişmiş Reaktör Kapları Nükleer Güvenlik Standartlarını Güçlendiriyor

Bir nükleer enerji santralinin çekirdeğinin derinliklerine gömülmüş, insanlığın temiz enerji arayışını korurken hayal edilemeyecek basınç ve radyasyona dayanan bir çelik devi hayal edin. Bu, nükleer santral güvenliğinin temel taşı olan reaktör basınçlı kaptır (RPV). Bu makale, olağanüstü mühendisliğini, titiz malzeme seçimini ve gelişen güvenlik teknolojilerini inceleyerek bu kritik bileşeni ayrıntılarıyla ele alıyor.

Reaktör basınç kabı, nükleer enerji santrallerinin hayati bir bileşenidir ve reaktör soğutucusunu, çekirdek korumasını ve yakıt düzeneklerini kaplayan sağlam bir kale görevi görür. Her bir yakıt grubunu ayrı ayrı 8 cm çapındaki borulara yerleştiren Sovyet dönemi RBMK reaktörlerinin aksine, çoğu modern nükleer santral güvenlik için RPV'lere güveniyor. Reaktörler tipik olarak kap konfigürasyonundan ziyade soğutucu tipine göre sınıflandırılırken, basınçlı kabın varlığı ve tasarımı tesisin güvenliğini ve verimliliğini doğrudan etkiler.

Yaygın reaktör sınıflandırmaları şunları içerir:

• Hafif su reaktörleri (LWR'ler):Basınçlı su reaktörleri (PWR'ler) ve kaynar su reaktörleri (BWR'ler) dahil olmak üzere en yaygın kullanılan tip.
• Grafit moderatörlü reaktörler:Dünya çapındaki sivil nükleer santrallerin çoğundan tamamen farklı tasarımlarıyla Çernobil RBMK reaktörü buna örnektir.
• Gaz soğutmalı termal reaktörler:Gelişmiş gaz soğutmalı reaktörler (AGR'ler), gaz soğutmalı hızlı üreme reaktörleri ve yüksek sıcaklıkta gaz soğutmalı reaktörler dahil. İngiltere'nin Magnox reaktörü klasik bir örnektir.
• Basınçlı ağır su reaktörleri (PHWR'ler):Moderatör veya soğutucu olarak ağır suyun (döteryumla zenginleştirilmiş) kullanılması. Kanada'nın CANDU reaktörü öne çıkan bir PHWR'dir.
• Sıvı metal soğutmalı reaktörler:Soğutma için sodyum veya kurşun-bizmut alaşımları gibi erimiş metallerin kullanılması.
• Erimiş tuz reaktörleri (MSR'ler):Florür bazlı erimiş tuzların soğutucu olarak kullanılması. Yüksek sıcaklıklarda ve düşük basınçlarda çalışan MSR'ler, reaktör kaplarındaki stresi azaltır.

Basınçlı kaplar kullanan başlıca reaktör türleri arasında PWR'ler belirgin bir zorlukla karşı karşıyadır: çalışma sırasında nötron ışınlaması (veya nötron akışı) kap malzemelerini yavaş yavaş kırılganlaştırır. Buna karşılık, boyutları daha büyük olan BWR kapları daha iyi nötron koruması sağlar. Bu, üretim maliyetlerini artırırken, servis ömrünü uzatmak için tavlama ihtiyacını da ortadan kaldırır.

PWR gemisinin ömrünü uzatmak için Framatome (eski adıyla Areva) gibi nükleer hizmet sağlayıcılar ve operatörler tavlama teknolojileri geliştiriyor. Bu karmaşık, yüksek değerli proses, uzun süreli ışınlama nedeniyle bozulan malzeme özelliklerini eski haline getirmeyi amaçlamaktadır.

Tasarım farklılıklarına rağmen tüm PWR basınçlı kaplar temel özellikleri paylaşmaktadır:

• Gemi gövdesi:Yakıt düzeneklerini, soğutucuyu ve destek yapılarını barındıran en büyük bileşen. Yakıt yüklemesi için üstten açıklığı olan tipik olarak silindiriktir.
• Gemi başı:Üst kısma takılı olup, kontrol çubuğu tahrikleri ve soğutma sıvısı seviyesi probları için delikler içerir.
• Yakıt düzenekleri:Uranyum veya uranyum-plütonyum karışımlarını içeren ızgara benzeri çubuk dizileri.
• Çekirdek koruma:Kabı kırılganlaşmaya neden olan hızlı nötronlardan koruyan silindirik bir bariyer.

RPV malzemeleri korozyonu en aza indirirken yüksek sıcaklıklara ve basınçlara dayanmalıdır. Kap gövdeleri tipik olarak 3-10 mm östenitik paslanmaz çelikle kaplanmış düşük alaşımlı ferritik çelik kullanır (soğutma sıvısıyla temas eden alanlar için). Gelişen tasarımlarda, gelişmiş akma mukavemeti için SA-302 B (Mo-Mn çeliği) ve SA-533/SA-508 kaliteleri gibi nikel açısından zenginleştirilmiş alaşımlar kullanılmıştır. Bu Ni-Mo-Mn ferritik çelikler yüksek termal iletkenlik ve şok direnci sunar; ancak radyasyon tepkileri kritik olmaya devam etmektedir.

2018 yılında Rosatom, radyasyon hasarını azaltmak için termal tavlama teknolojisini geliştirerek gemi ömrünü 15-30 yıl uzattı (Balakovo Ünite 1'de gösterildi). Nükleer ortamlar, malzemeleri amansız parçacık bombardımanına maruz bırakır, atomların yerini değiştirir ve mikroyapısal kusurlar yaratır. Bu kusurlar (boşluklar, çıkıklar veya çözünen madde kümeleri) zamanla birikerek malzemeleri sertleştirirken sünekliği azaltır. Bakır safsızlıkları (>%0,1 ağırlık) kırılganlığı şiddetlendirerek "temiz" çeliklere olan talebi artırır.

Sürünme (sürekli stres altında plastik deformasyon), kusurların daha hızlı taşınması nedeniyle yüksek sıcaklıklarda yoğunlaşır. Radyasyon destekli sürünme, stres-mikroyapı etkileşimlerinden kaynaklanırken, hidrojen iyonları (soğutucu radyolizinden) üç teorik mekanizma yoluyla stresli korozyon çatlamasına neden olur: kohezyon azalması, iç basınç veya metan kabarması.

Yeni yaklaşımlar, tane sınırları, büyük boyutlu çözünen maddeler veya oksit dispersiyonları (örneğin, itriya) kullanarak yer değiştirmiş atomları stabilize etmeyi amaçlamaktadır. Bunlar element ayrışmasını azaltır, sünekliği ve çatlama direncini artırır. Radyasyona dayanıklı alaşımları optimize etmek için daha fazla araştırmaya ihtiyaç vardır.

2020 itibariyle büyük RPV üreticileri şunları içerir:

• Çin: China First Heavy Industries, Erzhong, Harbin Electric, Shanghai Electric
• Fransa: Framatome
• Hindistan: L&T Özel Çelikler (BARC/NPCIL ile)
• Japonya: Japan Steel Works, IHI Corporation
• Rusya: OMZ-Izhora, ZiO-Podolsk, AEM-Atommash
• Güney Kore: Doosan
• Birleşik Krallık: Rolls-Royce (deniz reaktörleri)