Superstopy dla energetyki cz. 3 - Reaktory ciekłosolne MSR i Hastelloy® N

Autor:

Piotr Sompoliński

Data dodania:

W Stanach Zjednoczonych realizowane są pierwsze projekty reaktorów ciekłosolnych MSR, zaliczanych do IV generacji reaktorów jądrowych. Reaktory te mają być bezpieczniejszą i mniej uciążliwą alternatywą wobec reaktorów wodnych. W tym artykule przyjrzymy się działaniu reaktorów ciekłosolnych oraz stawianym przed nimi wyzwaniom inżynieryjnym, z szczególnym uwzględnieniem nadstopu niklu Hastelloy® N, kluczowego dla ich funkcjonowania.

W ten sposób, podziwiając zdobycze techniki w USA, zobaczymy możliwą przyszłość energetyki krajowej.

Reaktory ciekłosolne

Reaktory ciekłosolne MSR (z angielskiego Molten Salt Reactor) wykorzystują jako paliwo płynne sole, najbardziej typowo mieszaninę uranu, fluorków sodu i cyrkonu. W trakcie pracy paliwo podgrzewa się, przechodząc przez reaktor. Potem ciepło to oddaje w wymiennikach ciepła do wtórnego obiegu chłodzącego, gdzie płynie inna, nieradioaktywna mieszanina soli. Następnie ciepło oddawane jest do obiegu napędu turbiny. Użycie gorących soli w stanie ciekłym jako paliwa i chłodziwa ma kilka zalet w porównaniu do reaktorów chłodzonych wodą:

  • Wyższa temperatura, niższe ciśnienie - sole zachowują stan ciekły w znacznie wyższej temperaturze 600–900°C przy ciśnieniu atmosferycznym. Dla porównania, w reaktorach wodnych utrzymanie wody w stanie ciekłym w temperaturze około 300°C wymaga ciśnienia rzędu 150 atmosfer. Oznacza to, że reaktor a) ma lepszą sprawność i b) nie jest obok setek litrów potwornie ściśniętej gorącej wody, która w najgorszym wypadku może zamienić się w wodór i wybuchnąć (patrz: Czarnobyl).
  • Brak obiegu - brak reakcji - w reaktorach chłodzonych wodą awaria systemu obiegu chłodziwa może wprost doprowadzić do stopienia rdzenia (patrz: Fukushima). W reaktorach ciekłosolnych ryzyko takie jest znacznie mniejsze. Brak obiegu soli nie powoduje niekontrolowanej reakcji łańcuchowej, podobnie jak silnik nie może funkcjonować bez pompy paliwowej.
  • Płynne paliwo łatwiej zneutralizować - systemem bezpieczeństwa jest spuszczenie płynnego paliwa do wielkiego i zimnego zbiornika z dala od reaktora, gdzie sole szybko tracą temperaturę, nie mogą rozpędzać się w reakcji i w niedługim czasie przestają być radioaktywne.

Wyzwanie dla stopów metali

Rozgrzana do ponad 700°C mieszanina fluorków sodu, cyrkonu i uranu to środowisko silnie korozyjne. Sole powodują tworzenie żużla na metalu i rozpad ochronnej powłoki tlenków.

Rozwiązanie: Hastelloy® N

Hastelloy® N został specjalnie zaprojektowany z myślą o reaktorach ciekłosolnych, na potrzeby amerykańskiego programu MSRE, pierwszego, doświadczalnego reaktora ciekłosolnego MSRE, wzniesionego w USA. Wnętrze reaktora, rury, wymienniki ciepła i pompy obiegu chłodzenia były w eksploatacji w latach 1964-1969. Choć nie wszyscy inspektorzy byli zgodni, na ogół uważa się, że Hastelloy N wytrzymałby pełen 30-letni cykl życia komercyjnego reaktora. Hastelloy N cechuje się:

  • Odpornością na korozję: Zapewnia wysoką odporność na korozję w obecności stopionych soli fluorowych, które są kluczowym medium w reaktorach MSR. Zbadana szybkość korozji w soli LiF-BeF₂ (sól paliwowa wspomnianego reaktora MSRE) w temperaturze 700°C wynosiła mniej niż 0,0025 mm na rok oraz 0,015 mm na rok dla rozgrzanej do 600°C soli obiegu chłodniczego NaBF₄-NaF.
  • Stabilność termiczną: Dzięki wysokiej odporności na pełzanie i deformację pod wpływem ciepła, Hastelloy N może pracować w ekstremalnych temperaturach przez wiele lat, nie tracąc elastyczności i nie pękając.

Wartość stopu Hastelloy N poświadcza praca naukowa opublikowana w 2021 roku:

Przeprowadzono 100-godzinne testy korozyjne w środowisku stopionego FLiNaK w temperaturze 700°C na stopach X750, Hastelloy-N, stali nierdzewnej 316 i 304, w atmosferze gazu osłonowego argonu. Analiza składu pierwiastkowego produktów korozji po testach oraz wyniki badań metodami EDXS, XRD i XPS wykazały, że Hastelloy-N wykazał lepsze właściwości korozyjne niż jakikolwiek inny stop testowany, a głębokość korozji w tym stopie była około 10 razy mniejsza niż w stopie X750.”
~Ketan Kumar Sandhi, Jerzy A. Szpunar, Analysis of Corrosion of Hastelloy-N, Alloy X750, SS316 and SS304 in Molten Salt High-Temperature Environment

Jeśli jesteś zainteresowany zakupem stopu Hastelloy N, lub innych stopów niklu, serdecznie zapraszam do kontaktu.

Autor wpisu

Piotr Sompoliński

Właściciel firmy w VIRGAMET.

Potrzebujesz pomocy? Skontaktuj się z nami!

Zadzwoń lub napisz wiadomość, a nasz przedstawiciel skontaktuje się z Tobą w ciągu 24 godzin!

Preferencje plików cookie
Szanowni Państwo, nasz serwis stosuje pliki Cookies aby zapewnić jego prawidłowe działanie. Możecie określić warunki przechowywania lub dostępu do plików Cookies klikając przycisk Ustawienia. Zalecamy zapoznanie się z Polityką prywatności i plików Cookies.
Preferencje plików cookie
Wykorzystanie plików cookie

Szanowni Państwo, nasz serwis stosuje pliki Cookies aby zapewnić jego prawidłowe działanie. Możecie określić warunki przechowywania lub dostępu do plików Cookies. Zalecamy zapoznanie się z Polityką prywatności i plików Cookies.

Więcej informacji

W przypadku jakichkolwiek pytań dotyczących naszej polityki dotyczącej plików cookie prosimy o kontakt.