Сталь в напорных резервуарах ядерных реакторов — прошлое и будущее

Малые водные реакторы уже пережили в Польше ложный старт (см. KGHM и NuScale), но их идею продолжает развивать Orlen, а энергетические потребности нашей страны позволяют надеяться на ее реализацию. Из каких материалов будут изготовлены первые коммерческие реакторы в Польше? В то время как футуристические реакторы IV поколения требуют экзотических никелевых сплавов, водные реакторы защищаются сталью. А какие конкретно виды стали? Это менялось с течением времени. В этой статье мы узнаем о вызовах, стоящих перед сталью в ядерных реакторах, о видах стали, использовавшихся в прошлом, и о тех, которые, скорее всего, станут основой будущих проектов.

Необычный вызов для стали — напорные резервуары ядерных реакторов

Реакторный корпус под давлением (англ. Reactor Pressure Vessel - RPV) является основным элементом водо-водяных ядерных реакторов резервуарного типа. Это массивный резервуар, содержащий сам активную зону ядерного реактора со всем топливом, и является структурой критического значения для безопасной работы водо-водяных атомных электростанций. Это элемент, который не может быть заменен в течение всего срока эксплуатации, поэтому он должен быть способен сохранять целостность не только в начале, но и после многих лет воздействия больших доз радиации.

В коммерческих легководных реакторах (LWR), к которым относятся и многие современные проекты малых модульных реакторов SMR, экстремальные условия эксплуатации для резервуаров под давлением включают:

• высокие температуры до ок. 300°C
• высокое давление и механические нагрузки
• коррозионное воздействие воды
• нейтронное излучение, то есть разрушительное излучение

Взаимодействие этих условий делает необходимым использование сплавов с высокой прочностью, коррозионной стойкостью и радиационной стойкостью. Под воздействием радиации, температуры и времени металлические сплавы могут стать твердыми и хрупкими, поэтому выбранный материал должен обладать высокой стабильностью. В то же время большой объем означает, что необходимо учитывать стоимость материала. Дорогие никелевые сплавы, хотя и известны уже много лет, стабильны и прочные, не являются оптимальным решением с точки зрения затрат, поэтому с момента появления первых коммерческих реакторов использовались различные марки стали.

Прошлое — углеродистые и ферритные стали

Первые годы — углеродистая сталь. Основным конструкционным материалом многих первых ядерных реакторов была низкоуглеродистая сталь, обычно в нормализованном и отпущенном состоянии. Однако уже в первые годы развития атомной энергетики  появились установки, в которых использовалась низколегированная сталь с добавками марганца, молибдена, никеля, подвергавшаяся закалке и отпуску. Сталь ASTM Type A212-B использовалась, в частности, в американском реакторе Indian Point-1.

С 60-х и 70-х годов — низколегированная ферритовая сталь. Большинство коммерческих ядерных реакторов, эксплуатировавшихся в 70-х годах, имели давление резервуары, изготовленные из ферритовой марганцево-молибденовой стали в закаленном и отпущенном состоянии. Например, резервуары почти всех японских водо- и кипящих-водяных реакторов, как PWR, так и BWR, были изготовлены из стали A533 Grade B Class 1, за исключением Tsurugi (где использовалась сталь A302-B в закаленном и отпущенном состоянии) и JPDR-2 (где использовалась сталь A302-B в нормализованном и отпущенном состоянии). 

В Федеративной Республике Германия реакторные корпуса изготавливались из ферритной стали 22NiMoCr37 и 20MnMoNi55 (1.6311). Ядерный реактор, RPV которого был изготовлен из 22NiMoCr37, был остановлен в 1976 году, оправдав ожидания по сроку службы, но в то же время продемонстрировав более высокую чувствительность этого сорта к коррозионному растрескиванию при отпуске и растрескиванию под наплавкой.

Однако полностью от углеродистой стали не отказались, например, шведский реактор Agesta был закрыт углеродистой сталью с добавлением марганца, состав которой был аналогичен ASTM A212-B.

На рубеже веков предпочтительным материалом для RPV новых ядерных реакторов были пластины из стали ASTM A-533B C1.1 или поковки из стали ASTM A-508 C1.3 — либо их местные аналоги. Эти марки отличаются от предыдущих улучшенной прочностью и изменением микроструктуры с перлита на бейнит, мартензит или бейнитно-мартензитную структуру. Новые марки также более чисты с химической точки зрения, в основном благодаря использованию технологии вакуумной дегазации в производственном процессе. Эти изменения улучшают стойкость к радиационной хрупкости.

Будущее за аустенитной сталью?

SMR, или малые модульные ядерные реакторы (англ. Small Modular Reactors — SMR), являются для атомной энергетики, если не предвестниками ренессанса, то, по крайней мере, выходом из тупика. Многие проекты SMR основаны на старых и проверенных водяных реакторах LWR, что означает, что вновь возникает вопрос об оптимальном выборе стали для напорных водяных резервуаров. Какие марки стали рассматриваются? Давайте посмотрим документ «Применение аустенитной нержавеющей стали в нижнем резервуаре под давлением ядерного реактора», подготовленный американским производителем SMR NuScale. Это один из многих технических отчетов, представленных Комиссии по ядерному регулированию США (англ. United States Nuclear Regulatory Commission) для проверки и утверждения проекта. В нем NuScale заявляет следующее:

«Модуль NuScale Power (NPM) нижнего резервуара реактора под давлением (RPV) изготовлен из аустенитной нержавеющей стали SA-965 Grade FXM-19 в качестве основного материала и использует сварочный материал E/ER209 или E/ER240. »

Сталь SA-965 Grade FXM-19 — это упрочненная азотом хромоникелевая марганцевая нержавеющая сталь. Другие обозначения стали: S20910, XM-19 или Nitronic 50. Этот сорт используется, в частности, для изготовления соединительных и конструкционных элементов в нефтехимической, химической, морской и судостроительной промышленности. Какие преимущества аустенитной стали перед ферритной видит NuScale?

«Использование аустенитной нержавеющей стали повышает общую безопасность электростанции, поскольку она обладает лучшей пластичностью и менее подвержена хрупкости, вызванной воздействием нейтронов и высокой температурой, по сравнению с феррическими материалами. (...) Аустенитные нержавеющие стали не теряют пластичности и не становятся хрупкими под воздействием высоких температур, а также обладают большей ударной вязкостью, чем ферритные материалы.»

XM-19 — не единственный вид аустенитной стали, используемый в ядерных реакторах. Другие виды — aisi 304, aisi 347 и aisi 316. Nitronic 50 был выбран NuScale в основном из-за несколько более высоких прочностных характеристик.

Стоит добавить, что уже много лет существуют исследовательские ядерные реакторы, заключенные в резервуар из аустенитной стали. Один из таких реакторов, американский ATR мощностью 250 МВт, был изготовлен в 1967 году и до сих пор находится в эксплуатации, что означает, что аустенитная сталь противостоит воздействию нейтронов уже более 58 лет! В данном случае была использована сталь 304. Однако, когда наступит долгожданная эра малых модульных реакторов, аустенитная сталь впервые появится в коммерческих проектах.

Но увидим ли мы наступление настоящей эры SMR, или все закончится несколькими проектами? И что еще более важно, увидим ли мы такие реакторы также в Польше?

Будущее SMR 

Несколько лет назад казалось, что первые польские SMR начнут работу уже в 2029 году, но затем NuScale потерпела неудачу в своем пилотном проекте в США. Неудача негативно отразилась на сотрудничестве с польской компанией KGHM, однако сама идея по-прежнему жива, и новую надежду вселяют участие Orlen и недавнее соглашение между американской Westinghouse и Korea Hydro&Nuclear Power — двумя другими компаниями, занимающимися проектированием ММР. Завершение продолжающегося спора между этими компаниями облегчает экспорт ядерных технологий корейцами — технологий, которые они ранее купили у США.

Будут ли в Польше построены малые атомные электростанции? Будет ли их проект реализован компанией NuScale? Будет ли использована аустенитная сталь Nitronic 50^®? Это пока неизвестно.

Одно можно сказать наверняка: развитие ядерных технологий позволяет нам по-новому взглянуть на такой увлекательный материал, как сталь. Сталь 304, сталь 316, XM-19 — все это чрезвычайно прочные материалы, которые успешно используются в качестве более дешевых заменителей дорогих никелевых сплавов в нефтехимической, химической, морской и пищевой промышленности. Если вас заинтересовал какой-либо из описанных здесь необычных материалов, приглашаю вас связаться со мной.

Таблицы

Сравнение химического состава:

Марка стали	C:	Si:	Mn:	P:	S:	Ni:	Cr:	Cu:	Mo:	V:	Прочее:
A533-B, C1.1	<0,25	0,15-0,40	1,15-1,50	<0,035	<0,04	0,4-0,7	-	<0,01	0,45-0,60	<0,05	-
A508-B, C1.2	<0,27	0,15-0,40	0,5-1,0	<0,025	<0,025	0,5-1,0	0,25-0,45	<0,1	0,55-0,70	<0,05	-
A508-B, C1.3	<0,25	0,15-0,40	1,20-1,50	<0,025	<0,025	0,4-1,0	<0,25	<0,1	0,45-0,60	<0,05	-
20MnMoNi55 (1.6311)	0,17-0,23	0,15-0,30	1,20-1,50	<0,012	<0,008	0,5-0,8	<0,2	<0,12	0,40-0,55	<0,02	Al:0,01-0,04
XM-19 FXM-19	<0,06	<1,0	4,0-6,0	<0,045	<0,03	11,5-13,5	20,5-23,5	-	1,5-3,0	0,1-0,3	Nb+Ta:0,1-0,3; N:0,2-0,4
SA-965, F304 AISI 304	<0,08	<1,0	<2,0	<0,045	<0,03	8,0-11,0	18,0-20,0	-	-	-	-
SA-965, F316 AISI 316	<0,08	<1,0	<2,0	<0,045	<0,03	10,0-14,0	16,0-18,0	-	2,0-3,0	-	-

Механические свойства при комнатной температуре:

Марка стали	Прочность на разрыв:	Предел пластичности:	Удлинение:	Относительное сужение:
A533-B, C1.1	>550 MPa	>345 MPa	> 18%	-
A508-B, C1.3	> 550 MPa	> 345 MPa	>18%	>38%
20MnMoNi55 (1.6311)	560-700 MPa	> 390 MPa	> 19%	> 45%
XM-19 FXM-19	> 690 MPa	> 380 MPa	> 30%	-
SA-965, F304 AISI 304	> 485 MPa	> 205 MPa	> 30%	-
SA-965, F316 AISI 316	> 485 MPa	> 205 MPa	> 30%	-

Библиография

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