Stal w ciśnieniowych zbiornikach reaktorów jądrowych - przeszłość i przyszłość

Małe reaktory wodne już zaliczyły w Polsce false-start (patrz KGHM i NuScale), ale ich ideę kontynuuje Orlen, a potrzeby energetyczne naszego kraju pozwalają mieć nadzieję na jej realizację. Z jakich materiałów powstaną pierwsze komercyjne reaktory w Polsce? Podczas gdy futurystyczne reaktory IV generacji wymagają egzotycznych stopów niklu, reaktory wodne zabezpieczane są przez stal. A jakie konkretne gatunki stali? To zmieniało się z biegiem lat. W tym artykule poznamy wyzwania stojące przed stalą w reaktorach jądrowych, gatunki stali wykorzystywane historycznie i te, które najpewniej będą podstawą przyszłych projektów.

Niezwykłe wyzwanie dla stali - ciśnieniowe zbiorniki reaktorów jądrowych

Ciśnieniowy zbiornik reaktora (ang. Reactor Pressure Vessel - RPV) to podstawowy element wodnych reaktorów jądrowych o konstrukcji zbiornikowej. To masywny zbiornik zawierający sam rdzeń reaktora jądrowego z całym jego paliwem i jest strukturą o krytycznym znaczeniu dla bezpiecznego funkcjonowania wodnych elektrowni jądrowych. To element, którego nie można wymienić w całym okresie eksploatacji, toteż musi on być zdolny do zachowania integralności nie tylko na początku, ale też po wielu latach przyjmowania dużych dawek promieniowania.

W komercyjnych reaktorach lekkowodnych (LWR), do których zalicza się też wiele współczesnych projektów małych reaktorów modułowych SMR, ekstremalne warunki pracy dla zbiorników ciśnieniowych obejmują:

• wysokie temperatury do ok. 300°C
• wysokie ciśnienia i naprężenia mechaniczne
• korozyjne działanie wody
• fluencję neutronów, czyli niszczące promieniowanie

Współdziałanie tych warunków sprawia, że konieczne jest stosowanie stopów o wysokiej wytrzymałości, odporności na korozję i tolerancji na napromieniowanie. Stopy metali pod wpływem promieniowania, temperatury i upływu czasu mogą stać się twarde i kruche, zatem dobrany materiał musi charakteryzować się dużą stabilnością. Jednocześnie duży wolumen sprawia, że trzeba liczyć się z ceną materiału. Drogie stopy niklu, choć znane od lat, stabilne i wytrzymałe, nie są rozwiązaniem optymalnym kosztowo, toteż od pierwszych komercyjnych reaktorów stosowano rozmaite gatunki stali.

Przeszłość - stale węglowe i ferrytyczne

Pierwsze lata - stal węglowa. Głównym materiałem konstrukcyjnym wielu początkowych reaktorów jądrowych była stal niskowęglowa, zwykle w stanie znormalizowanym i odpuszczonym. Jednak już w pierwszych latach energetyki nuklearnej  powstawały jednostki wykorzystujące stale niskostopowe z dodatkami manganu, molibdenu, niklu, poddawane hartowaniu i odpuszczaniu. Stal ASTM Type A212-B otulała m.in. amerykański reaktor Indian Point-1.

Od lat 60-tych i 70-tych - stal niskostopowa ferrytyczna. Większość komercyjnych reaktorów jądrowych eksploatowanych w latach 70-tych miała ciśnieniowe zbiorniki wykonane z ferrytycznej stali manganowo-molibdenowej w stanie hartowanym i odpuszczonym. Na przykład zbiorniki ciśnieniowe niemal wszystkich japońskich reaktorów wodnych, zarówno ciśnieniowych PWR, jak i wody wrzącej BWR, wykonane były ze stali A533 Grade B Class 1, z wyjątkiem Tsurugi (gdzie wykorzystano stal A302-B w stanie zahartowanym i odpuszczonym) oraz JPDR-2 (gdzie wykorzystano stal A302-B w stanie znormalizowanym i odpuszczonym). 

W Republice Federalnej Niemiec zbiorniki reaktorów wykonywano ze stali ferrytycznej 22NiMoCr37 oraz 20MnMoNi55 (1.6311). Reaktor jądrowy, którego RPV był wykonany z 22NiMoCr37, został wygaszony w roku 1976, spełniwszy oczekiwania dotyczące żywotności, lecz jednocześnie wykazując wyższą wrażliwość tego gatunku na korozyjne pękanie odprężeniowe i pękanie podpłaszczowe.

NIe zrezygnowano jednak całkowicie ze stali węglowej, na przykład szwedzki reaktor Agesta zamknięty był w stali węglowej z dodatkiem manganu o składzie podobnym do ASTM A212-B.

Na przełomie wieków materiałem wyborowym na RPV nowych reaktorów jądrowych były płyty ze stali ASTM A-533B C1.1 lub odkuwki ze stali ASTM A-508 C1.3 - bądź ich lokalne odpowiedniki. Te gatunki różnią się od poprzednich polepszoną wytrzymałością i zmianą mikrostruktury z perlitu na bainit, martenzyt lub strukturę bainityczno-martenzytyczną. Nowe gatunki są też bardziej czyste z chemicznego punktu widzenia, a to głównie dzięki wykorzystaniu technologii odgazowania próżniowego w procesie produkcyjnym. Te zmiany polepszają wytrzymałość na kruchość odpromienną.

Czy przyszłość należy do stali austenitycznych?

SMR-y, czyli małe modułowe reaktory jądrowe (z ang. Small Modular Reactors - SMR) są dla energetyki atomowej jeśli nie zapowiedzią renesansu, to przynajmniej przełamania impasu. Wiele projektów SMR-ów bazuje na starych i sprawdzonych reaktorach wodnych LWR, co oznacza, że ponownie wraca kwestia optymalnego doboru stali na ciśnieniowe zbiorniki wodne. Jakie gatunki stali są rozważane? Sprawdźmy dokument “Zastosowanie austenitycznej stali nierdzewnej w dolnym zbiorniku ciśnieniowym reaktora jądrowego” przygotowany przez amerykańskiego producenta SMR-ów NuScale. To jeden z wielu raportów technicznych przedstawionych Komisji Regulacji Nuklearnej USA (ang. United States Nuclear Regulatory Commission) celem weryfikacji i akceptacji projektu. W nim NuScale stwierdza, co następuje:

“Moduł NuScale Power (NPM) dolnego zbiornika ciśnieniowego reaktora (RPV) jest wykonany z austenitycznej stali nierdzewnej SA-965 Grade FXM-19 jako materiału podstawowego i wykorzystuje materiał spawalniczy E/ER209 lub E/ER240. ”

Stal SA-965 Grade FXM-19 to umacniana azotem stal nierdzewna chromowo-niklowo-manganowa. Inne oznaczenia stali to S20910, XM-19 lub Nitronic 50. Gatunek ten wykorzystywany jest m.in. na elementy złączne i konstrukcyjne w przemyśle petrochemicznym, chemicznym, morskim i stoczniowym. Jakie przewagi stali austenitycznej nad ferrytyczną dostrzega NuScale?

“Zastosowanie austenitycznej stali nierdzewnej zwiększa ogólne bezpieczeństwo elektrowni, ponieważ charakteryzuje się ona lepszą plastycznością i jest mniej podatna na kruchość wywołaną działaniem neutronów i wysoką temperaturą, w porównaniu do materiałów ferrytycznych. (...) Austenityczne stale nierdzewne nie tracą ciągliwości i nie stają się kruche pod wpływem wysokiej temperatury i mają większą udarność niż materiały ferrytyczne.”

XM-19 to nie jedyny gatunek stali austenitycznej wykorzystywany w reaktorach jądrowych. Inne gatunki to aisi 304, aisi 347 i aisi 316. Nitronic 50 został wybrany przez NuScale głównie z powodu nieco wyższych własności wytrzymałościowych.

Warto dodać, że od wielu lat istnieją badawcze reaktory jądrowe zamknięte w zbiorniku wykonanym ze stali austenitycznej. Jeden z takich reaktorów, amerykański ATR o mocy 250 MW, wykonany został w 1967 roku i pozostaje nadal w użytku, co oznacza, że stal austenityczna opiera się działaniu neutronów już od ponad 58 lat! W tym przypadku wykorzystano stal 304. Jednak gdy nastanie wyczekiwana era małych reaktorów modułowych, stal austenityczna po raz pierwszy zaistnieje w projektach komercyjnych.

Czy jednak zobaczymy nastanie prawdziwej ery SMR-ów, czy wszystko skończy się na kilku projektach? Co ważniejsze, czy ujrzymy takie reaktory też w Polsce?

Przyszłość SMR 

Kilka lat temu wydawało się, że pierwsze polskie SMR-y zaczną pracę już w 2029 roku, lecz potem NuScale zaliczyło fiasko w swoim pilotażowym projekcie w USA. Niepowodzenie negatywnie odbiło się na współpracy z polskim KGHM, jednak sama idea jest wciąż żywa, a nową nadzieją napawa zaangażowanie Orlenu oraz niedawne porozumienie amerykańskiego Westinghouse i Korea Hydro&Nuclear Power - dwóch innych przedsiębiorstw zajmujących się projektowaniem SMR-ów. Zakończenie trwającego między tymi firmami sporu ułatwia eksport technologii jądrowych przez Koreańczyków - technologii które wcześniej kupili z USA.

Czy w Polsce powstaną małe elektrownie jądrowe? Czy za ich projektem będzie stało NuScale? Czy wykorzystana będzie austenityczna stal Nitronic 50^®? Nie ma pewności.

Pewne jest jedno - rozwój techniki nuklearnej pozwala nam w nowym świetle ujrzeć ten fascynujący materiał, jakim jest stal. Stal 304, stal 316, XM-19 - to wszystko niezwykle wytrzymałe materiałe z powodzeniem stosowane jako tańsze zamienniki drogich stopów niklu, i stosowane w przemyśle petrochemicznym, chemicznym, morskim i spożywczym. W przypadku zainteresowania którymkolwiek z omówionych tu niezwykłych materiałów - zapraszam do kontaktu.

Tabele

Porównanie składów chemicznych:

Własności mechaniczne w temperaturze pokojowej:

Bibliografia

Suzuki, K.1, Reactor pressure vessel materials, International Atomic Energy Agency, październik 1998 

Use of Austenitic Stainless Steel for NPM Lower Reactor Pressure Vessel, NuScale Power, LLC, Grudzień 2022