Lò phản ứng mô-đun nhỏ (SMR) và hợp kim niken: Vật liệu cho-hạt nhân thế hệ tiếp theo

Lò phản ứng mô-đun nhỏ (SMR) không đơn giản là phiên bản thu nhỏ-của lò phản ứng nước-áp suất thông thường. Một số thiết kế tiên tiến chạy nóng hơn, sử dụng các chất làm mát khác nhau - heli, natri lỏng hoặc muối florua nóng chảy thay vì nước có áp suất - và nhắm mục tiêu đến tuổi thọ sử dụng cũng như chu kỳ hoạt động giúp đẩy vật liệu kết cấu vượt xa phạm vi nhiệt độ và độ ăn mòn mà thép không gỉ cấp hạt nhân-thông thường đủ tiêu chuẩn.

Hợp kim dựa trên niken-là dòng vật liệu có vị trí tốt nhất để thu hẹp khoảng cách đó và chúng đã xuất hiện trong toàn bộ chuỗi cung ứng lò phản ứng tiên tiến: dưới dạng ống tạo hơi nước trong-SMR nước nhẹ, dưới dạng vật liệu trao đổi nhiệt trung gian trong các thiết kế làm mát-bằng khí và là vật liệu vòng-chính ứng cử viên trong các khái niệm làm mát bằng muối-. Hướng dẫn này giải thích lý do tại sao hợp kim niken lại quan trọng đối với SMR, loại nào đã được mã hóa-đủ tiêu chuẩn so với loại vẫn đang được phát triển và cách suy nghĩ về việc lựa chọn vật liệu trên các loại công nghệ SMR khác nhau.

Lò phản ứng mô-đun nhỏ là gì và tại sao nhu cầu vật liệu của chúng khác với lò phản ứng thông thường?

SMR trải rộng trên nhiều loại lò phản ứng riêng biệt với chất làm mát và nhiệt độ vận hành rất khác nhau và chính sự đa dạng này - chứ không chỉ kích thước nhỏ hơn - đã thúc đẩy vai trò mở rộng của hợp kim niken.

"SMR" mô tả một lò phản ứng mô-đun, được chế tạo tại nhà máy-thường có công suất dưới 300 MWe, nhưng thuật ngữ này bao gồm một số công nghệ cơ bản khác nhau. SMR nước nhẹ-(chẳng hạn như thiết kế của NuScale và BWRX-300 của GE Hitachi) sử dụng cùng chất làm mát bằng nước sôi hoặc có áp suất như các lò phản ứng lớn thông thường và hoạt động trong phạm vi nhiệt độ tương tự, do đó, chúng phụ thuộc nhiều vào thép không gỉ cấp hạt nhân-và thép hợp kim thấp-, cùng với hợp kim niken dành riêng cho các thành phần công suất cao cụ thể chẳng hạn như ống tạo hơi nước.

Lò phản ứng làm mát bằng khí-nhiệt độ cao-hoặc HTGR (chẳng hạn như Xe-100 của năng lượng X), sử dụng chất làm mát helium và nhiên liệu hạt TRISO, đồng thời nhắm mục tiêu nhiệt độ đầu ra cao hơn nhiều để cải thiện hiệu suất nhiệt và cho phép các ứng dụng nhiệt quy trình công nghiệp. Lò phản ứng nhanh được làm mát bằng natri-(chẳng hạn như thiết kế Natrium của TerraPower) sử dụng chất làm mát kim loại lỏng ở nhiệt độ cao-đến{9}}trung bình và áp suất thấp. Lò phản ứng nhiệt độ cao được làm mát bằng muối-muối Fluoride-hoặc FHR (chẳng hạn như thiết kế Hermes của Kairos Power), tuần hoàn muối florua nóng chảy như một chất làm mát xung quanh nhiên liệu sỏi TRISO rắn, trong khi các lò phản ứng muối nóng chảy thực sự hòa tan nhiên liệu trực tiếp trong muối tuần hoàn. Mỗi lớp này đặt một sự kết hợp khác nhau giữa nhiệt độ, hóa học chất làm mát và môi trường neutron trên vật liệu cấu trúc của nó.

Bảng 1. Các loại công nghệ SMR đại diện, nhiệt độ vận hành gần đúng và các thiết kế mẫu. Các số liệu được khái quát hóa theo lớp lò phản ứng để minh họa; thiết kế của nhà cung cấp cụ thể khác nhau và các thông số kỹ thuật chính thức phải được xác nhận dựa trên tài liệu quy định và nhà cung cấp hiện tại.

Tại sao lò phản ứng tiên tiến cần hợp kim niken thay vì thép không gỉ tiêu chuẩn?

Thép không gỉ austenit cấp hạt nhân thông thường-mất quá nhiều độ bền rão và khả năng chống oxy hóa trên khoảng 550–650 độ trong thời gian thiết kế nhiều-thập kỷ mà các lò phản ứng tiên tiến yêu cầu và hợp kim niken mở rộng khả năng sử dụng kết cấu hơn nữa trong phạm vi 700–950 độ mà HTGR và một số thiết kế làm mát bằng muối-cần.

Theo Bộ luật nồi hơi và bình áp suất ASME, Phần III, Phân khu 5 quản lý việc xây dựng các thành phần hạt nhân nhiệt độ cao-trên mọi loại chất làm mát lò phản ứng tiên tiến. Trong nhiều thập kỷ, chỉ có 5 loại vật liệu đủ tiêu chuẩn cho dịch vụ này: thép ferit 2.25Cr-1Mo và vanadi-đã biến tính 9Cr-1Mo, thép không gỉ austenit loại 304H và 316H cũng như Hợp kim austenit niken-cao 800H. Trong số này, chỉ có Alloy 800H được đánh giá cho thiết kế thực sự có nhiệt độ cao, độ rão không đáng kể, đạt tới 760 độ trở lên.

Trên khoảng 550–650 độ, ứng suất thiết kế cho phép của thép không gỉ 304H/316H tiêu chuẩn giảm mạnh do-biến dạng rão phụ thuộc vào thời gian - không phải-năng suất ngắn hạn hoặc độ bền kéo - trở thành chế độ hư hỏng chi phối và thang oxit crom-của thép không gỉ cũng trở nên kém bảo vệ hơn trong môi trường muối hoặc heli nhiệt độ-cao. Các hợp kim niken như Hợp kim 617 giải quyết cả hai vấn đề: hàm lượng niken cao hơn của chúng giúp cải thiện khả năng chống rão và chống lại bầu khí quyển cacbon hóa/oxy hóa, kéo dài nhiệt độ thiết kế đủ điều kiện lên khoảng 954 độ (1.750 độ F) theo mã ASME 2019.

Hợp kim niken nào đủ tiêu chuẩn hoặc đang được đánh giá để xây dựng lò phản ứng tiên tiến?

Hợp kim 800H hiện là vật liệu gốc niken-duy nhất có đầy đủ tiêu chuẩn ASME Mục III, Phân khu 5; Hợp kim 617 đã được thêm thông qua hai trường hợp mã chuyên dụng, trong khi Hợp kim 690, Hastelloy N, GH3535 và Hợp kim 709, mỗi loại đóng một vai trò nhưng nằm ở các giai đoạn khác nhau của lộ trình đánh giá chất lượng.

Bảng 2. Hợp kim niken-và các hợp kim lân cận niken{2}}có liên quan đến cấu trúc lò phản ứng tiên tiến, thành phần gần đúng của chúng và trạng thái đủ tiêu chuẩn-theo mã Hoa Kỳ hiện tại của chúng. Số trường hợp mã, giới hạn nhiệt độ và trạng thái đủ tiêu chuẩn phải luôn được xác minh theo phiên bản ASME BPVC Phần III, Phân khu 5 hiện hành và các trường hợp mã hiện hành đang có hiệu lực.

Hợp kim Niken hoạt động như thế nào trong môi trường lò phản ứng muối nóng chảy?

Các hợp kim niken-molybdenum-crom như Hastelloy N và GH3535 chống lại sự ăn mòn của muối florua nóng chảy tốt hơn nhiều so với thép không gỉ vì hàm lượng crom thấp của chúng hạn chế con đường ăn mòn chủ đạo - crom thấm từ ranh giới hạt vào muối - trong khi việc bổ sung molypden của chúng duy trì độ bền nhiệt độ-cao.

Các muối florua nóng chảy như FLiBe (lithium florua–beryllium florua) và FLiNaK (lithium–natri–kali florua) là chất làm mát lò phản ứng hấp dẫn vì khả năng hấp thụ neutron thấp, nhiệt dung thể tích cao và áp suất vận hành thấp, nhưng chúng cũng có tính ăn mòn hóa học đối với hầu hết các hợp kim kết cấu. Cơ chế phân hủy chủ yếu không phải là sự tấn công bề mặt nói chung mà là sự rửa trôi có chọn lọc crom từ các ranh giới hạt vào muối, do khả năng oxy hóa khử của muối; điều này có thể để lại một lớp bên dưới bề mặt xốp, -crôm đã cạn kiệt và dưới áp lực tác dụng sẽ thúc đẩy sự ăn mòn giữa các hạt-được trợ giúp.

Hastelloy N được mục đích-phát triển tại Phòng thí nghiệm quốc gia Oak Ridge vào những năm 1950–60, đặc biệt là để chống lại cơ chế này trong Thí nghiệm lò phản ứng muối nóng chảy, và nó - cùng với GH3535 có thành phần tương tự của Trung Quốc, được sử dụng trong chương trình thử nghiệm lò phản ứng muối thori nóng chảy-của quốc gia đó - vẫn là họ hợp kim cấu trúc hàng đầu cho các khái niệm lò phản ứng làm mát bằng muối-muối-florua. Vì các hợp kim này chưa hoàn thành lộ trình chứng nhận ASME Phần III, Phân khu 5 tại Hoa Kỳ nên các nhà phát triển theo đuổi các thiết kế FHR và MSR ngắn hạn thường lên kế hoạch cho một trường hợp mã vật liệu chuyên dụng, được hỗ trợ bởi dữ liệu thử nghiệm cơ học và ăn mòn trong thời gian dài, như một phần trong chiến lược cấp phép tổng thể của họ.

Hợp kim niken hoạt động như thế nào trong lò phản ứng khí heli-làm mát ở nhiệt độ cao-?

Hợp kim 617 và Hợp kim 800H là hợp kim niken hàng đầu cho dịch vụ HTGR vì cả hai đều tạo thành lớp oxit crom-bảo vệ, ổn định trong heli và duy trì độ bền rão hữu ích cao hơn nhiều so với giới hạn của thép không gỉ, mặc dù cả hai vẫn dễ bị cacbon hóa hoặc khử cacbon chậm nếu chất làm mát heli mang theo tạp chất.

Chất làm mát helium sản xuất trong HTGR không bao giờ tinh khiết hoàn toàn - mức độ cacbon monoxit, hydro, metan và độ ẩm là không thể tránh khỏi do nhiên liệu, than chì và hệ thống thoát khí - và các tạp chất này có thể dẫn đến quá trình cacbon hóa (thu cacbon, làm giòn hợp kim) hoặc khử cacbon (tổn thất cacbon, làm nó yếu đi), tùy thuộc vào cân bằng tạp chất và nhiệt độ cục bộ. Hợp kim 800H đã có lịch sử hoạt động hàng thập kỷ trong môi trường này, bao gồm cả trong các nhà máy trình diễn HTGR ban đầu và vẫn là một trong năm vật liệu ban đầu đạt tiêu chuẩn ASME Phần III, Phân khu 5.

Hợp kim 617 đã được đặc trưng rộng rãi kể từ giữa-những năm 2000 với tư cách là ứng cử viên hàng đầu cho bộ trao đổi nhiệt trung gian (IHX) -, thành phần truyền nhiệt từ vòng heli sơ cấp sang quy trình thứ cấp - vì nó kết hợp độ bền nhiệt độ-cao hơn Hợp kim 800H với độ ổn định thích hợp trong môi trường heli, đỉnh điểm là Trường hợp mã ASME N-898, giúp mở rộng cấu trúc Hợp kim 617 đủ tiêu chuẩn lên đến 954 độ (1.750 độ F).

Hợp kim 690 đóng vai trò gì trong SMR dựa trên ánh sáng-Nước{2}}?

Hợp kim 690 là vật liệu ống tạo hơi nước và bộ trao đổi nhiệt{1}}tiêu chuẩn dành cho các thiết kế SMR nước-nhẹ nhờ khả năng chống nứt do ăn mòn do áp lực nước sơ cấp (PWSCC) cao, một dạng hư hỏng đã khiến ngành công nghiệp hạt nhân rời xa tiền thân của nó, Hợp kim 600, bắt đầu từ những năm 1980–2000.

SMR nước nhẹ-như thiết kế của NuScale và BWRX{2}}300 của GE Hitachi kế thừa hầu hết cơ sở vật liệu của chúng trực tiếp từ nhóm nước sôi và điều áp-lò phản ứng lớn, bao gồm cả việc phụ thuộc vào Hợp kim 690 ở bất cứ nơi nào hợp kim ống sắt niken-crom-tiếp xúc với nước sơ cấp có độ tinh khiết-, nhiệt độ cao{10}}cao dưới ứng suất dư do uốn cong hoặc giãn nở. Hợp kim 600, được sử dụng trong các nhà máy trước đây, tỏ ra dễ bị ảnh hưởng bởi PWSCC ở ranh giới hạt trong thời gian dài{11}}sử dụng, dẫn đến việc thay thế máy tạo hơi nước tốn kém trong toàn ngành.

Hàm lượng crom cao hơn đáng kể của Hợp kim 690 thúc đẩy màng oxit bảo vệ liên tục, ổn định hơn trong cùng điều kiện ứng suất và hóa học nước, giúp nó có khả năng chống nứt tốt hơn rõ rệt trong nhiều thập kỷ trải nghiệm vận hành tiếp theo. Do SMR nước-nhẹ hoạt động trong cùng nhiệt độ và lớp vỏ hóa học nước-như dàn PWR thông thường nên ống Hợp kim 690 được coi là vật liệu đủ tiêu chuẩn, được mã hóa-chấp nhận thay vì yêu cầu công việc xác nhận nhiệt độ-cao mới thuộc loại HTGR và các thiết kế làm mát bằng muối-vẫn cần.

Các cơ chế phân hủy chính mà hợp kim niken phải chống lại trong dịch vụ SMR là gì?

Cơ chế phân hủy chủ yếu khác nhau tùy theo chất làm mát: quá trình cacbon hóa từ biến và helium{0}}tạp chất chi phối thiết kế làm mát bằng khí-, quá trình lọc bằng crom chi phối thiết kế muối nóng chảy-, vết nứt ăn mòn do áp lực nước sơ cấp chi phối thiết kế nước-ánh sáng và sự giòn-gây ra bởi bức xạ heli là mối lo ngại xuyên suốt- đối với bất kỳ hợp kim niken nào được sử dụng ở vị trí có lưu lượng neutron cao.

Bảng 3. Các cơ chế phân hủy chính của hợp kim niken phải chống lại các loại chất làm mát SMR và thiết kế chính hoặc các biện pháp giảm thiểu luyện kim được sử dụng trong thực tế hiện nay.

Làm thế nào để ASME Phần III, Phân khu 5 đủ điều kiện sử dụng Vật liệu mới để sử dụng Lò phản ứng nâng cao?

Vật liệu cấu trúc hạt nhân mới chuyển từ trạng thái ứng cử viên sang trạng thái đủ điều kiện thông qua quy trình xử lý trường hợp-mã ASME chính thức yêu cầu gói dữ liệu đáng kể, kéo dài nhiều{1}}năm về đặc tính từ biến, độ bền kéo và độ mỏi trong phạm vi nhiệt độ sử dụng dự kiến, được xem xét và bỏ phiếu bởi tiểu ban ASME có liên quan trước khi có thể sử dụng vật liệu này để cấp phép xây dựng.

ASME Phần III, Phần 5 được xuất bản để hợp nhất các quy tắc xây dựng hạt nhân nhiệt độ cao-cho tất cả các loại chất làm mát lò phản ứng tiên tiến trong một phần duy nhất, dựa trên các phương pháp thiết kế ban đầu được phát triển cho lò phản ứng làm mát bằng natri-. Việc thêm vật liệu mới - như đã xảy ra với Hợp kim 617 - yêu cầu nhà sản xuất vật liệu hoặc một tập đoàn công nghiệp tập hợp gói dữ liệu thiết kế Loại A bao gồm các đặc tính về độ bền kéo và độ rão-trong phạm vi nhiệt độ dự kiến, đường cong biến dạng ứng suất đẳng thời-cho thiết kế nhiệt độ cao, dữ liệu tương tác độ mỏi và độ rão{9}}độ rão và thông tin về khả năng hàn, tất cả đều được phát triển theo "Hướng dẫn về nhu cầu dữ liệu thiết kế cho mã mới" của mã Vật liệu."

Sau đó, Ủy ban Nồi hơi và Bình áp lực của ASME sẽ xem xét và bỏ phiếu cho gói này trước khi xuất bản trường hợp mã chính thức; các trường hợp mã Hợp kim 617 mất khoảng một thập kỷ để mô tả đặc tính, mặc dù ASME đã hợp lý hóa chu trình xem xét các tài liệu tiếp theo dựa trên các bài học kinh nghiệm. Quá trình này là lý do chính khiến một số hợp kim niken có cấu trúc hứa hẹn, chẳng hạn như Hastelloy N, vẫn là ứng cử viên thay vì vật liệu đủ tiêu chuẩn cho công trình xây dựng được cấp phép của Hoa Kỳ mặc dù hành vi ăn mòn và cơ học của chúng đã được nghiên cứu trong nhiều thập kỷ.

Bạn nên chỉ định hợp kim niken nào cho thành phần lò phản ứng nâng cao của mình?

Hãy kết hợp hợp kim với thành phần hóa học làm mát và nhiệt độ chi phối của bộ phận cụ thể, chứ không phải với toàn bộ lớp lò phản ứng, vì một thiết kế SMR duy nhất có thể bao gồm một số môi trường vận hành khác nhau trên các hệ thống sơ cấp và thứ cấp của nó.

Bảng 4. Hướng dẫn lựa chọn hợp kim niken cấp thành phần-theo môi trường làm mát SMR. Việc lựa chọn vật liệu cuối cùng phải được xác nhận dựa trên thiết kế đã được phê duyệt của nhà cung cấp lò phản ứng cụ thể và các trường hợp/phiên bản mã ASME mà cơ sở cấp phép viện dẫn.

Trạng thái triển khai SMR hiện tại là gì và tại sao nó lại quan trọng đối với chuỗi cung ứng nguyên liệu?

Tính đến năm 2026, Hoa Kỳ đã chuyển từ thiết kế giấy sang xây dựng tích cực lần đầu tiên sau nhiều thập kỷ và sự thay đổi này đang bắt đầu tạo ra nhu cầu thực sự-trong ngắn hạn đối với tấm, ống và vật rèn-hợp kim niken cấp hạt nhân thay vì chỉ có số lượng-nghiên cứu.

TerraPower đã nhận được giấy phép xây dựng đầu tiên của Ủy ban Điều tiết Hạt nhân Hoa Kỳ từng được cấp cho lò phản ứng năng lượng nước không-nhẹ-thương mại vào tháng 3 năm 2026 và động thổ xây dựng nhà máy Natri-làm mát bằng natri ở Kemmerer, Wyoming ngay sau đó. Thiết kế SMR nâng cấp của NuScale Power đã nhận được sự chấp thuận của NRC và các tiện ích bao gồm Chính quyền Thung lũng Tennessee đã triển khai các chương trình triển khai SMR nhiều{7}}gigawatt.

Xe làm mát bằng helium-làm mát bằng muối của X-energy đang tiến triển thông qua đánh giá của NRC cho một địa điểm ở Texas và Kairos Power tiếp tục xây dựng các đơn vị thử nghiệm làm mát bằng muối fluoride-tiếp theo ở Tennessee. Các công ty công nghệ lớn đã ký riêng hơn 10 gigawatt công suất hạt nhân tiên tiến đã cam kết để giúp thúc đẩy sự phát triển của trung tâm dữ liệu AI, một quy mô cam kết tư nhân còn mới đối với ngành.

Đối với các nhà cung cấp hợp kim và linh kiện, điều này có nghĩa là các loại hợp kim niken đã được thảo luận trong hướng dẫn này - Hợp kim 690, Hợp kim 617, Hợp kim 800H và dòng Hastelloy N chống muối nóng chảy - đang chuyển từ các chương trình thử nghiệm trong phòng thí nghiệm-quốc gia và mang tính học thuật chủ yếu sang-đầu tiên trong số-một loại hình mua sắm thương mại, với khả năng truy xuất nguồn gốc của báo cáo thử nghiệm nhà máy và việc tuân thủ mã-trường hợp trở thành yêu cầu mua hàng-trong thời gian ngắn thay vì cân nhắc trong tương lai.

Câu hỏi thường gặp

Q: Thép không gỉ tiêu chuẩn 316 có thể được sử dụng trong các thành phần SMR không?

A: Có, dành cho các thành phần có nhiệt độ-thấp hơn. Loại 304H và 316H vẫn là vật liệu đạt tiêu chuẩn ASME Phần III, Phân khu 5 và được sử dụng trong các thiết kế lò phản ứng tiên tiến khi nhiệt độ sử dụng vẫn nằm trong-phạm vi ứng suất cho phép - thường lên tới khoảng 550–650 độ tùy thuộc vào tuổi thọ thiết kế và tải trọng. Trên phạm vi đó, cường độ rão của chúng giảm xuống quá nhanh trong{10}tuổi thọ thiết kế kéo dài nhiều thập kỷ, đó là lúc Hợp kim 617 và Hợp kim 800H tiếp quản.

Q: Nhiệt độ cao nhất mà một hợp kim niken-đủ tiêu chuẩn hạt nhân có thể chịu được là bao nhiêu?

A: Theo các trường hợp mã ASME Mục III, Phân khu 5 hiện tại, Hợp kim 617 đủ tiêu chuẩn để xây dựng lên tới 954 độ (1.750 độ F), giới hạn nhiệt độ cao nhất so với bất kỳ vật liệu nào hiện có mã-đủ tiêu chuẩn cho xây dựng hạt nhân của Hoa Kỳ. Nhiệt độ thiết kế thành phần thực tế được thiết lập bằng phân tích cơ sở-thiết kế của lò phản ứng cụ thể, chứ không phải chỉ bằng giới hạn mã tối đa của hợp kim.

Q: Tại sao Hastelloy N chưa được sử dụng trong lò phản ứng thương mại được cấp phép của Hoa Kỳ?

A: Không phải vì hiệu suất của nó bị nghi ngờ - nó đã có nhiều thập kỷ thử nghiệm và dữ liệu vận hành hạn chế kể từ Thí nghiệm Lò phản ứng Muối nóng chảy những năm 1960 - mà vì nó chưa hoàn thành quy trình đánh giá vật liệu chính thức của ASME Mục III, Phân khu 5 cần thiết cho công trình xây dựng thương mại được cấp phép ở Hoa Kỳ. Các nhà phát triển theo đuổi thiết kế làm mát bằng muối-muối hoặc florua-muối-nóng chảy dự kiến ​​sẽ theo đuổi trường hợp mã chuyên dụng như một phần trong lộ trình cấp phép của họ.

Q: Hợp kim 690 được sử dụng trong máy tạo hơi nước SMR có khác với Hợp kim 690 được sử dụng trong các lò PWR lớn không?

A: Không. Các thiết kế SMR nước nhẹ-thường dựa trên cùng các thông số kỹ thuật vật liệu Hợp kim 690 đủ tiêu chuẩn ASME-đã được thiết lập cho nhóm lò phản ứng nước-áp suất thông thường, vì cả hai đều hoạt động trong phạm vi nhiệt độ và hóa học nước sơ cấp tương tự nhau. Bản thân hợp kim không cần phải có trình độ-nhiệt độ cao mới cho ứng dụng này.

Q: Thông thường phải mất bao lâu để thêm một vật liệu mới vào mã hạt nhân ASME?

A: Trong lịch sử, theo thứ tự một thập kỷ đối với vật liệu có nhiệt độ---cao-đầu tiên -, hộp mã Hợp kim 617 mất khoảng thời gian dài như vậy từ khi xác định đặc tính ban đầu đến khi xuất bản. Kể từ đó, ASME đã hợp lý hóa quy trình đánh giá của mình dựa trên các bài học rút ra từ nỗ lực đó, nhưng việc tập hợp gói dữ liệu về độ rão, độ mỏi và khả năng hàn cần thiết vẫn là bước giới hạn tốc độ-đối với bất kỳ vật liệu ứng cử viên mới nào.