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

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
Właściciel firmy w VIRGAMET.
Zadzwoń lub napisz wiadomość, a nasz przedstawiciel skontaktuje się z Tobą w ciągu 24 godzin!
Napisz
Zadzwoń
