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 использоваться для адекватно отремонтировать комплектующие.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 снова 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 [фильм на https://www.youtube.com/watch?v=-noWqJ12vMg], которая использует первичный лазер для сварки и вторичные лучи. для снижения растягивающих напряжений вблизи зоны сварного шва (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 в ORNL прошла первая сварка трением с перемешиванием [фильм на https://youtu.be/O-YmORuLsug] облученной нержавеющей стали.
В отличие от традиционной 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 методов и новых технологий для коммерческого производства ядерной энергии», — сказал Леонард. В дополнение к лабораторным знаниям в области сварки и определения характеристик материалов, сильные стороны ORNL включают 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 последующего определения 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 состарят в HFIR материал, который прошел ремонт 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 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, 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».
Поддержка в исследованиях и разработках этого проекта была предоставлена Программой LWRS Управления ядерной энергии Министерства энергетики США, Долгосрочной операционной программой EPRI и ORNL. DOE и EPRI разделили расходы на разработку, проектирование, изготовление, оборудование и испытания, а ORNL поддержала расходы, связанные с установкой.
Промышленность может получить доступ к этой возможности через возможности финансирования Управления ядерной энергии Министерства энергетики США или механизмы партнерства ORNL.