고온 원자로 는 무엇 인가? 설계, 재료 및 응용

핵심 질문에 답합니다.고온 원자로 는 무엇 이며, 일반 화학 원자로 와는 어떤 재료 와 설계 문제 로 구별 됩니까?고온 반응기는 500C ~ 1200C의 벽 온도에서 지속적인 작동을 위해 설계된 압력 용기이며, 특수 니켈 기반의 초연합 (Inconel 625/UNS N06625,인코로이 800H/UNS N08810)이 온도에서 표준 오스텐이트 스테인레스 스틸 (304, 316L) 은 중도 압력에서 10만 시간 크레프 파열 경력을 초과합니다.그리고 ASME 섹션 VIII 디비전 1 설계 규칙이 부적절해집니다., 부문 2 (더 높은 설계 규칙) 또는 특정 ASME 코드 케이스 (예: 니켈 합금에 대한 코드 케이스 2753) 를 요구합니다.주요 엔지니어링 과제는 시간 의존적 미끄러짐 변형 (라슨-밀러 매개 변수에 의해 지배) 을 포함합니다., 다른 금속 사이의 차분 확장 (알파 = 316L에 대한 17.5x10^-6/K 대 Inconel 625에 대한 12.7x10^-6/K에 대한 600C), 내부 표면의 산화 / 탄화,그리고 불소연성-껍질 인터페이스 열관리.

1고온 원자로의 기본 설계 원칙

고온 원자로 설계는 금속과 구조의 네 가지 원칙을 다루고 있습니다.

• 크립 변형 및 라슨 밀러 매개 변수약 0.4배 이상의 녹는점 (Kelvin의 T_m), 금속은 지속된 스트레스로 시간 의존적인 플라스틱 변형 (크리프) 을 겪습니다. 316L (T_m = 1670K) 에 대해이 기준은 668K (395C) 입니다; 인코넬 625 (T_m = 1610K), 그것은 644K (371C) 이다. 라슨-밀러 매개 변수 (LMP = T x (로그 t + C_20) x 10 ^ 3), 여기서 T는 절대 온도, t는 시간 내 파열 시간,그리고 C_20는 물질 상수 ~ 20) 는 스트레스와 상관관계를 가지고 있습니다., 온도, 파열 시간. 650C와 100,000 시간, 316L는 69 MPa만을 지원하고, 인코넬 625은 138 MPa 이상을 지원하며, 550-600C 이상의 니켈 합금으로의 전환을 지시합니다.
• 열 스트레스와 차분 확장 관리열 스트레스는 서로 다른 금속들 사이의 제한된 차원적 팽창, 벽 두께의 온도 경사, 그리고 일시적인 열 부하에서 발생한다.실린더형 벽의 열압은 sigma_th = E x alpha x delta-T / (2(1-nu), 여기서 E는 영의 모듈, 알파는 열 팽창 계수, 델타-T는 벽을 통과하는 온도 경사, nu는 포이슨의 비율이다. 316L에서 100C 경사와 50mm 벽을 위해:sigma_th = 193000 x 17.5x10^-6 x 100 / (2 x 0.7) = 241 MPa, 온도에서 양력 강도에 접근합니다.인코넬에서 탄소강으로의 전환) 은 분류 된 조성을 가진 전환 조각을 필요로합니다 (탄소강에 인코넬 625의 용접 덮개).
• 불투명 부피 및 열 손실 관리내부 불투명 부리 (질질 수 있는 알루미나 실리케이트, 벽돌 또는 세라믹 섬유) 는 1000-1650C의 공정 온도에 직접 노출되는로부터 철강 껍질을 보호합니다.전형적인 껍질 두께는 100-300mm이고 열 전도도는 0입니다..2-1.5 W/m-K, 껍질 온도를 400C 이하로 유지합니다. 세라믹 섬유 백업 계층 (카우울) 은 팽창 용량을 제공하고 껍질 표면 500 W/m2 이하로 열 손실을 줄입니다.냉면 설계는 산성 이슬점 응축 (황을 함유 한 연소 가스의 경우) 및 염화 퇴적물로부터 껍질의 스트레스 부식 균열을 방지해야합니다..
• 산화, 탄화 및 질소화 저항성고온 대기에서는 산화로 인해 표면 붕괴가 발생합니다 (오스텐이트 철강의 경우 900C 이상에서 1-10 mm / 년의 산화 산소 규모 증가),탄화화 (CO/CH4 대기에서 탄소를 흡수하여 내부 탄화물 침착과 깨지기)인코넬 625 및 800H는 이러한 메커니즘에 저항하는 보호 Cr2O3 또는 Al2O3 척도를 형성합니다.극도로 공격적인 환경 (황화 + 탄화), 알루미나이드 확산 코팅 또는 용접 덮개 (3-6mm 두께의 탄소 강철에 인코넬 625) 는 표면 보호를 제공합니다.

2고온 원자로용 주요 재료

고온 원자로 재료는 사용 온도 범위와 분해 메커니즘에 따라 분류됩니다.

• 니켈 기반의 초연합 (인코넬 625, 인코로일 800H)인코넬 625 (Ni 62, Cr 22, Mo 9, Nb 4, Fe 5) 는 뛰어난 산화, 탄화화 및 굴뚝 저항력으로 980C에 서비스를 제공합니다.60000시간 650C의 류브 찢기 스트레스는 138 MPa를 초과합니다 (316L의 69 MPa에 비해)인콜로이 800H (Ni 32, Cr 21, Fe 46) 는 982C까지의 핵 및 석유화학 서비스에 대한 ASME 코드 승인을 받았습니다 (핵에 대한 코드 케이스 N-47, 섹션 VIII에 대한 코드 케이스 1325).증기 메탄 리포밍 (SMR) 에 사용됩니다., 에틸렌 크래킹 오븐 튜브, 수소 생산 원자로.
• 불소연성 탄소 강철 원자로탄소 강철 껍질 (SA516 Gr.70) 150~300mm의 불탄소 (알루미나 60~90%,또는 염화-코룬드 용재 저항성) 는 1000-1650C의 공정 가스를 함유하면서 껍질 온도가 400C 이하로 작동합니다.불소화성 부피는 열 충격을 흡수하고, 입자로 가득 찬 가스로부터의 침식에 저항하며, 산성 잔류에 대한 화학적 저항을 제공합니다. 석탄 가시화기에 사용됩니다.석유화학 크래커 전송선 교환기 (TLE), 그리고 연소 후 연소 방.
• 세라믹 및 실리콘 카비드 (SiC) 원자로실리콘 카바이드 ( sintered alpha-SiC) 원자로는 뜨거운 구역에서 금속 구성 요소 없이 1200-1600C에서 지속적으로 작동합니다. SiC는 뛰어난 열 충격 저항력을 가지고 있습니다 (델타-T_max = 350-400C),산화 저항성 (보호 SiO2를 형성), 열전도 120-150 W/m-K (대부분의 금속보다 높다). 반도체 에피타크시, 핵 고온 가스 냉각 원자로 (HTGR) 에서 사용됩니다.극한 환경의 촉매적 부분 산화 과정.

고온 원자로 재료 비교 행렬

자주 묻는 질문 (FAQ)

질문: 라슨-밀러 매개 변수는 무엇이며 고온 원자로 설계에 중요한 이유는 무엇입니까?

A: 라슨 밀러 매개 변수 (LMP = T x (log t + 20) x 10^-3,여기서 T는 켈빈의 절대 온도이고 t는 시간으로 분해 시간) 는 스트레스를 상관시키는 시간-온도 매개 변수 방법이다., 온도 및 크리프 파열 시간. 그것은 100,000 시간 (11.4 년) 서비스 수명 예측에 단기 실험실 크리프 테스트 데이터의 추출을 가능하게합니다.ASME 제3장 1부 (핵) 및 코드 케이스 1592 (높은 온도) 는 지속적인 부하 설계에 대한 LMP 기반의 스레어 분석을 요구합니다.또한 LMP는 재료 비교를 가능하게 합니다: LMP = 35 (예를 들어, 650C, 100,000 h) 에서 316L는 69 MPa를 지원하고 인코넬 625은 138+ MPa를 지원합니다.

Q: 어떤 온도에서 원자로 설계가 스테인리스 스틸에서 니켈 기반 합금으로 전환되어야합니까?

A: 전환 온도는 적용 된 스트레스와 요구 된 설계 수명에 달려 있습니다. 전형적인 원자로 벽 스트레스 (60-120 MPa) 에서 100,000 시간 설계 수명:316L는 대략 550C (여기 100C) 에 적합합니다.,000-h 스크립 찢어짐 스트레스는 69 MPa 이하로 떨어집니다); 321/347 안정화 된 등급은 600C까지 확장됩니다; 인콜로이 800H는 982C까지 확장됩니다; 인코넬 625에서 980C. 더 높은 스트레스 또는 더 긴 설계 수명을 위해,전환 온도가 감소합니다.ASME 보일러 및 압력 용기 코드 섹션 VIII 섹션 1은 각 재료의 최대 온도 제한을 설정합니다 (예: 316L: 816C 일반용,그러나 538C 이상의 스트레스 값이 현저하게 감소되어 있습니다.).

질문: 고온 원자로에서 불투명 부피 두께는 어떻게 결정됩니까?

A: 불투명 두께는 1차원 평형 열전도에서 계산됩니다: Q = (T_ 프로세스 - T_ 껍질) / (t_ref/k_ref + t_ 껍질/k_ 껍질 + 1/h_ 공기).설계는 안전 마진과 함께 T_shell 400C (탄소 강철 한계) 아래 유지용기의 무게와 비용을 줄이기 위해 불투명 두께를 최소화하는 동시에 전형적인 두께는 1000-1650C의 공정 온도에서 150-300mm입니다.벽을 통해 열 손실은 일반적으로 300-1000 W/m2 (열열에 따라) 로 제한됩니다.다층 설계 (밀도가 높은 캐스팅 가능한 뜨거운 얼굴 + 세라믹 섬유 백업) 는 열 저항과 침식, 열 충격 및 슬래그 공격에 대한 저항을 최적화합니다.

질문: 열압력이란 무엇이며 왜 고온 원자로의 설계에 중요한 요소가 되는 걸까요?

A: 열 스트레스는 제한된 열 팽창의 결과입니다. 그것은 벽을 통해 온도 경사에서 발생합니다 (시그마 = E x 알파 x 델타-T / (2 x (1-nu))),다른 열 확장 계수와 다른 금속 결합50mm 316L 벽과 600C에서 100C 벽 경사 경사: 시그마 = 193000 MPa x 17.5x10^-6 x 100 / (2 x 0.7) = 241 MPa온도에서 양력 강도에 접근하고 주기적 부하로 열 피로 균열을 유발할 수 있습니다.ASME 섹션 VIII 디비전 2는 425C 이상의 설계 온도에서 상세한 열 스트레스 분석 (한정 요소) 을 요구합니다.