Американское общество инженеров-механиков (ASME) публикует «Кодекс по котлам и сосудам под давлением», также называемый просто «Кодексом».
В нем изложены правила проектирования для определения допустимой нагрузки и указаны материалы, которые можно использовать для строительства электростанций, в том числе АЭС. Соблюдение этих спецификаций обеспечивает безопасность и производительность компонентов.
Команда из Национальной лаборатории штата Айдахо в сотрудничестве с группами в национальных лабораториях Аргонны и Ок-Риджа, а также с отраслевыми консультантами и международными партнерами впервые за 30 лет получила новый материал - сплав 617.
Сплав 617, состоящий из никеля, хрома, кобальта и молибдена, может использоваться на современных атомных электростанциях завтрашнего дня, поскольку позволяет работать при более высоких температурах.
«Это довольно существенное достижение», - сказал Ричард Райт, почетный сотрудник лаборатории INL, об успешных многолетних усилиях по внедрению сплава 617 в стандарт ASME. Райт возглавлял часть INL и общее руководство проектом.
Это достижение означает, что проектировщики, работающие над новыми концепциями высокотемпературных атомных электростанций, теперь имеют на 20% больше возможностей с комплектующими строительными материалами.
В отличие от легководных установок, где можно использовать 50-100 материалов, для высокотемпературных реакторов можно было использовать только пять.
Сплаву 617 потребовалось так много времени, чтобы пробиться в стандарт из-за физики и способа добавления материала в стандарты. Каждый аспект занял годы.
«Ползучий путь».
Что касается физики, Райт сказал, что проблема связана с ползучестью - тенденцией вещества изменять форму с течением времени.
Ползучесть становится проблемой, начиная примерно с половины температуры плавления материала.
Отсутствие ползучести является причиной того, что машина может годами не подвергаться деформации.
Но при более высоких температурах ползучесть происходит, и это будет фактором в новых предлагаемых реакторах.
В отличие от легководных реакторов, которые работают при температуре около 290 ° C, реакторы с расплавленной солью, высокотемпературный газоохлаждаемый или натриевый будут работать в два или более раз горячее.
Таким образом, определение того, что происходит со сплавом 617 с течением времени при заданной температуре, представляло основной вопрос. И эта работа была нелегкой.
«Эти зависящие от времени свойства становятся действительно сложными для измерения и понимания», - сказал Райт.
Более того, любые измерения должны были быть сделаны на разных партиях сплава 617, чтобы учесть небольшие изменения в составе и производстве. Некоторые из тестов были быстрыми, например, они измеряли, какое напряжение может выдержать материал, прежде чем он сломается. Но некоторые тесты, такие как ползучесть, занимают годы.
ASME допускает тройной коэффициент экстраполяции для времени. Другими словами, чтобы квалифицировать материал на 100 000 часов или 11,4 года эксплуатации, исследователи должны собрать данные за 33 000 часов - или 3,75 года. Эта отметка соответствует минимуму, на котором должен квалифицироваться новый материал, поскольку электростанции рассчитаны на эксплуатацию в течение десятилетий.
После сбора данных по сплаву 617 исследователи пришли к консервативным цифрам, чтобы перейти к спецификации ASME. Затем они представили это предложение для голосования, начав следующую фазу процесса.
Баллотирование, «по одному шагу за раз».
В таких организациях, как ASME, все должны согласовывать изменения в стандартах.
Поэтому, когда вносятся изменения, сторонники этих изменений предоставляют подтверждающие данные, отвечают на поставленные вопросы о данных, обучают членов комитета, если это необходимо, и пытаются продвинуть процесс.
Исследователи, работающие над включением кода сплава 617, начали с рабочей группы по высокотемпературным технологиям.
На следующем этапе было сделано тоже для соответствующей подгруппы, после чего, наконец, комитет пришел к консенсусу.
Добровольцы из национальных лабораторий и других организаций работают в различных рабочих группах, подгруппах и комитетах, которые собираются четыре раза в год для рассмотрения изменений в стандартах.
«Процесс голосования занял три полных года», - сказал Райт. Окончательное одобрение прошло осенью 2019 года.
Последний новый высокотемпературный материал был добавлен в 1990-х, и это частично объясняет, почему получение разрешения заняло так много времени.
Проблема состояла в том, чтобы просто активизировать процесс, который не использовался в течение 30 лет.
Весь проект по созданию сплава 617 занял 12 лет и обошелся Министерству энергетики в 15 миллионов долларов.
Добавив к этому предыдущие работы и взносы, не связанные с МЭ, общая сумма расходов на материальные исследования составила десятки миллионов долларов и десятки лет.
Теперь, когда сплав 617 является частью инженерного инструментария, разработчики высокотемпературных ядерных установок получили новый материал, который предлагает расширенный рабочий диапазон.
По словам Райта, ранее разрешенные высокотемпературные материалы не могли быть использованы при температуре выше 750 ° С.
Новый квалифицированный материал может использоваться при проектировании и строительстве при температуре до 950 ° C и в результате обеспечить применение новых концепций более высоких температур.
Если это произойдет, то это послужит примером, как в сказке «Три поросенка», что использование правильного материала является основой успеха строительства.