高温 原子炉 は 何 です か

根本的な質問に答えます高温原子炉とは何か? 標準的な化学原子炉とは どんな材料と設計の課題で 区別されていますか?高温原子炉は,壁温度500Cから1200Cの持続的な動作のために設計された圧力容器であり,特殊なニッケルベースの超合金 (Inconel 625/UNS N06625,インコローイ 800H/UNS N08810)この温度では,標準的なオウステニティックステンレス鋼 (304, 316L) は,中程度の圧力で10万時間のスリップ破裂ストレスを上回ります.ASME第8節第1部設計規則が不十分になる部門2 (より高度な設計規則) または特定のASMEコードケース (例えば,ニッケル合金のためのコードケース2753) を要求する.鍵となるエンジニアリング課題には,時間依存のスリップ変形 (ラーソン・ミラーパラメータによって支配される) が含まれる.異なる金属間の差異的な膨張による熱力 (316Lのアルファ=17.5×10^-6/Kと600Cのインコネル625の12.7×10^-6/K),内部表面の酸化/炭化物,耐火性と殻のインターフェースの熱管理.

1高温原子炉の基本設計原則

高温原子炉の設計は 4つの金属工学と構造的原則を考慮します

• クリープ変形とラーソン・ミラーパラメータ溶融点 (T_m in Kelvin) の約0.4倍以上では,金属は持続的なストレスの下では時間依存的なプラスチック変形 (スリップ) に直面する. 316L (T_m = 1670K) に対して,この限界値は668K (395C); インコネル625 (T_m = 1610K) では644K (371C) である. ラルソン・ミラーパラメータ (LMP = T x (log t + C_20) x 10^-3,ここでTは絶対温度,tは時間で割れる時間,C_20は材料定数で ~20) ストレスは相関する温度は650°Cと10万時間で,316Lは69MPaのみ,インコネル625は138MPa以上に対応し,550-600°C以上のニッケル合金への移行を命じます.
• 熱圧と差異膨張管理熱圧は,異なる金属間の制限された差異膨張,壁厚さの温度梯度,および一時的な熱負荷から生じる.円筒状の壁の熱圧は sigma_th = E x alpha x delta-T / (2(1-nu)),ここでEはヤングのモジュール,アルファは熱膨張係数,デルタ-Tは壁を通過する温度梯度,nuはポイソンの比率である.316Lの100C梯度を持つ50mmの壁の場合:sigma_th = 193000 x 17.5×10^-6×100 / (2×0.7) = 241 MPa,温度での収力強さに接近する.インコネルから炭素鋼への移行) は,グレード付き組成の移行パーツを必要とします (炭素鋼にインコネル625の溶接覆い).
• 耐火膜と熱損失管理内部耐火層 (鋳造可能なアルミナシリケート,レンガ,またはセラミック繊維) は,1000〜1650Cのプロセス温度への直接的暴露から鋼殻を保護する.典型的な内膜厚さは 100~300mmで,熱伝導性は0.2-1.5 W/m-K,殻温度を400C以下に保つ.セラミック繊維バックアップ層 (カオウル) は拡張を許容し,殻表面の熱損失を500 W/m2以下に減らす.冷面設計では,酸露点凝縮 (硫黄を含む煙ガスでは) と塩化物堆積物による外殻のストレス腐食裂けを防止しなければならない..
• 酸化,炭化,ナイトライド抵抗性高温大気は酸化によって表面が劣化する (オキシトスチールでは900C以上では1-10mm/yearで酸化物スケール増加)炭化物化 (CO/CH4大気から炭素を吸収し,内部カービッドの降水と破解を引き起こす)インコネル625と800Hは,これらのメカニズムに抵抗する保護 Cr2O3またはAl2O3スケールを形成する.極端に攻撃的な環境 (硫化+炭化化)アルミニド拡散コーティングや溶接層 (厚さ3~6mmの炭酸鋼のインコネル625) は表面保護を施します.

2高温炉のための主要材料

高温炉材料は,使用温度範囲と分解メカニズムによって分類される.

• ニッケルベースの超合金 (インコネル625,インコロイ800H)インコネル625 (Ni 62,Cr 22,Mo 9,Nb 4,Fe 5) は,優れた酸化,炭化,穴耐性で980Cにサービスを提供しています.650°Cで000時間スリップ破裂ストレスは138 MPaを超えます (316Lでは69 MPa)インコローイ800H (Ni32,Cr21,Fe46) は,ASMEコードで982Cまで核および石油化学サービスに承認されています (核のためのコードケースN-47,第8節のためのコードケース1325).蒸気メタンリフォーム (SMR) に使用されるエチレンクレイキング炉管と水素生産炉.
• 耐火性で覆われた炭素鋼炉耐火性150~300mm (アルミナ60~90%),1000〜1650Cのプロセスガスを含んでいる間,殻温度が400C未満で動作する熱耐性層は熱ショックを吸収し,粒子を積んだガスの侵食に抵抗し,酸性スクラッグに化学的抵抗性があります.石炭ガス化器に使用されます.石油化学クレイカー・トランスファー・ライン交換機 (TLE)燃焼炉の後燃焼室
• セラミックとシリコンカービッド (SiC) の原子炉シリコンカービッド反応器 (シンテレートアルファ-SiC) は,熱帯で金属部品なしで1200~1600°Cで連続的に動作する.SiCは優れた熱衝撃耐性 (デルタ-T_max = 350~400°C) を有する.酸化抵抗性 (SiO2の保護形態)半導体エピタキシ,核高温ガス冷却炉 (HTGR) で使用される.極端な環境における触媒性部分酸化プロセス.

高温原子炉材料の比較行列

よくある質問 (FAQ)

Q: ラーソン・ミラーパラメータとは何か? なぜ高温炉設計において重要なのか?

A: ラルソン・ミラーパラメータ (LMP = T x (log t + 20) x 10^-3,Tは絶対温度 (ケルビンで,tは時間で割れる時間) で,ストレスを相関する時間温度パラメータ方法である.短期的な実験室のクリープテストデータを10万時間 (11.4年) の使用寿命予測に抽出することができます.ASME第3節第1課 (核) とコードケース1592 (高温) は,持続負荷設計のためにLMPベースのクリープ分析を必要とする.LMP は材料の比較も可能とする:LMP = 35 (例えば650C,100,000 h) で,316Lは69 MPaをサポートし,Inconel 625は138+ MPaをサポートする.

Q: 原子炉の設計では ステンレス鋼からニッケル製の合金に どの温度で切り替えるべきですか?

A: 移行温度は,施されたストレスのと必要な設計寿命に依存する. 典型的な原子炉壁ストレスの (60-120 MPa) 時に10万時間の設計寿命:316Lは,約550Cに適しています (100°Cの温度)安定化グレードは600Cまで,インコロイ 800Hは982Cまで,インコネルは625から980Cまで.移行温度が下がるASMEのボイラーと圧力容器コード第8節第1節は,各材料の最大温度制限を定めている (例えば,一般用には316L,816C,一般用には316L,816C).しかし,ストレス値が538C以上で著しく低下している).

Q: 高温炉では,耐火膜の厚さはどのように決定されますか?

A: 耐火厚さは1次元安定状態の熱伝導から計算される: Q = (T_プロセス - T_シェル) / (t_ref/k_ref + t_シェル/k_シェル + 1/h_空気).設計はT_shellを400C (炭素鋼の限界) 以下の安全率で維持する容器の重量とコストを削減するために耐火性厚さを最小限に抑えながら,通常厚さは1000〜1650Cのプロセス温度で150〜300mmです.壁を通る熱損失は,通常300-1000 W/m2 (隔熱量によって) に制限されます.多層設計 (密集型鋳造可能なホットフェイス+セラミックファイバーバックアップ) は,熱耐性と侵食,熱ショック,およびスクラッグ攻撃に対する耐性を最適化します.

Q: 熱圧とは何か? なぜ高温炉の設計において重要な考慮事項なのか?

A: 熱圧は制限された熱膨張の結果である. 壁を通過する温度梯度 (sigma = E x alpha x delta-T / (2 x (1-nu)) から生じる.異なる熱膨張係数を持つ異なる金属結合600Cで100Cの壁を通り抜ける傾斜を持つ50mmの316L壁では sigma = 193000 MPa x 17.5x10^-6 x 100 / (2 x 0.7) = 241 MPa,温度下での収力強さに接近し,周期的な負荷下で熱疲労による裂けを起こす可能性があります.ASME第8節第2節では,425C以上の設計温度について,詳細な熱力ストレス分析 (有限要素) を要求する.