רצועה וחוט גרעיני: סגסוגות מיוחדות, יישומים נפוצים ובקרות תהליכים קריטיות

בשנת 2020, תחנות כוח גרעיניות בארה"ב ייצרו 790 קילוואט שעות חשמל. נתון זה משמעותי מכיוון שהוא מציין את השנה הראשונה שאנרגיה גרעינית יצרה יותר חשמל מאשר פחם מקומית.

בעוד שארצות הברית היא היצרנית הגדולה בעולם של אנרגיה גרעינית, זו לא תופעה מבודדת. נכון לשנת 2022, מדינות כמו סין והודו בונות למעלה מ-100 כורים גרעיניים חדשים ברחבי העולם. נשיא צרפת עמנואל מקרון התחייב להקים עד 14 כורים וצי של מפעלים גרעיניים קטנים יותר כדי לעזור למדינה להפחית את פליטת גזי החממה.

ככל שהביקוש לכוח גרעיני יגדל, כך יגדל הביקוש לחומרים מיוחדים המסוגלים לעמוד בקרינה, בטמפרטורות גבוהות ובסביבות קורוזיביות מאוד של כורי ביקוע גרעיני.

בנוסף, התקדמות מתקדמת בטכנולוגיית הביקוע החלופית יוצרת את הצורך בחומרים נוספים כדי לעמוד בדרישות השונות של יישומי הכוח הגרעיני המתעוררים הללו.

מהי אנרגיה גרעינית?

ראשית, דלק גרעיני מעובד לשחרור חום. החום הזה מופעל על המים, ויוצר אדים המסובבים טורבינה. כשהטורבינה מסתובבת, היא הופכת גנרטור, מייצרת שדה מגנטי ויוצרת חשמל.

בתחנת כוח גרעינית, חום נוצר על ידי פיצול אטומים – לרוב אורניום – בתוך כור גרעיני באמצעות תהליך המכונה ביקוע גרעיני.

מכיוון שמקור החום אינו דלק מאובנים בוער, לא נפלטים גזי חממה, מה שהופך את האנרגיה הגרעינית לאופציה נקייה ובת קיימא יותר ממקורות כוח רבים אחרים. ובעוד תאונות טרגיות התרחשו, לכוח האטומי יש את מספר ההרוגים המועטים ביותר ליחידת אנרגיה שנוצרת.

כמה עובדות אחרות בנושא אנרגיה גרעינית ממשרד האנרגיה האמריקני:

• אנרגיה גרעינית סיפקה 52% מהחשמל הנטול פחמן של אמריקה בשנת 2020, מה שהפך אותה למקור הביתי הגדול ביותר של אנרגיה נקייה.
• תחנות כוח גרעיניות פעלו בתפוקה מלאה ביותר מ-92% מהזמן בשנת 2020, מה שהפך אותה למקור האנרגיה האמין ביותר באמריקה. זה בערך פי 1.5 עד 2 יותר אמינים ממפעלי גז טבעי (57%) ופחם (40%) ובערך פי 2.5 עד 3.5 יותר אמינים ממפעלי רוח (35%) ומפעלי שמש (25%).
• תחנות כוח גרעיניות מתוכננות לפעול 24 שעות ביממה, שבעה ימים בשבוע, מכיוון שהן דורשות פחות תחזוקה ויכולות לפעול לאורך זמן רב יותר לפני תדלוק (בדרך כלל כל 1.5 או שנתיים).
• גרעין עוזר להפעיל 28 מדינות בארה"ב.
• ישנם כיום 94 כורים מסחריים המסייעים להפעיל בתים ועסקים ב-28 מדינות בארה"ב. לאלינוי יש 11 כורים – המספר הגדול ביותר מכל מדינה – והיא מצטרפת לדרום קרולינה ולניו המפשייר בקבלת יותר מ-50% מהכוח שלה מגרעין.

העבר וההווה של כוח גרעיני

לאחר מלחמת העולם השנייה, המדינות היחידות שהחוק הבינלאומי הורשו להעשיר אורניום (או פלוטוניום) היו ארצות הברית, בריטניה, צרפת, ברית המועצות וסין.

בארצות הברית, כוח גרעיני מסחרי היה פועל יוצא של תוכנית הגרעין של הצי. תוכנית זו הובילה לפיתוח של כורי מים רותחים (BWRs) וכורי מים בלחץ (PWRs).

BWRs ו-PWRs הם כורי מים קלים המשתמשים במים רגילים כדי לקרר ולחמם את הדלק הגרעיני.

ההבדל טמון באופן שבו הכור מייצר קיטור:

• בתוך כור מים רותחים, חום מתהליך הביקוע גורם למים לרתוח וליצור אדים.
• בכור מים בלחץ, המים מחוממים לטמפרטורות גבוהות להפליא אבל לא רותחים כי הם בלחץ. המים המחוממים חייבים לזרום דרך מחליף חום כדי ליצור קיטור. מחליפי חום אלו ידועים כמערכת ייצור הקיטור.
• כיום, PWRs הם טכנולוגיית הכוח הגרעיני הנפוצה ביותר (כמעט 70% מהכורים ברחבי העולם), כאשר BWRs הם שנייה רחוקה (בסביבות 15%).

בעולם פותחו והשתמשו בטכנולוגיות אחרות, כמו כורי מים כבדים (המועדפים על ידי בריטניה) וכורי גרפיט מקוררים בגז.

כורי מים כבדים משתמשים בצורת מים המכילה איזוטופ מימן כבד יותר, מגדילים את המסה שלו ומקנים תכונות גרעיניות שונות. בעוד מים כבדים יקרים לבידוד ממים רגילים, הדרך שבה הם סופגים נויטרונים מבטלת את הצורך באורניום מועשר, מה שמקזז עלויות. כורי מים כבדים משמשים בעיקר בקנדה ונמצאים גם בהודו, ארגנטינה, רומניה, פקיסטן וסין.

במקום מים, כורים מסחריים מקוררי גז משתמשים בפחמן דו חמצני כנוזל קירור. כרגע הם נמצאים בשימוש רק בבריטניה (רק 3% מהכורים העולמיים) וצפויים להיפסק עד אמצע שנות ה-2020.

מאז שנות ה-60, אולבריץ' סיפקה לשוק האנרגיה הגרעינית סגסוגות בעלות ביצועים גבוהים העומדות בפני קרינה של תחנות כוח ביקוע שונות, בטמפרטורות גבוהות ובסביבות קורוזיביות מאוד.

ככל שהדרישות של הכורים הללו השתנו, המשכנו לפתח את היכולות והתהליכים שלנו כדי להבטיח עיבוד בטוח של חומרים, תוך חריגה מהסטנדרטים שנקבעו על ידי סוכנויות רגולציה ממשלתיות.

עתיד הכוח הגרעיני

ככל שיחלוף הזמן, שוק האנרגיה הגרעינית ימשיך להתפתח, תוך התמקדות בטיפול בבטיחות, סילוק פסולת, עלויות פיתוח ועלויות תפעול.

התקדמות מרגשת אחת היא היתוך גרעיני, שבו אנרגיה נוצרת לא על ידי פיצול אטומים זה מזה אלא על ידי איחוי ביניהם, אותו תהליך שהשמש שלנו משתמשת בו כדי לייצר כוח.

מפעל היתוך גרעיני יפיק אנרגיה כמעט בלתי מוגבלת, בצורה בטוחה יותר מביקוע, תוך יצירת פסולת שהיא הרבה יותר חד פעמית.

ב-21 בפברואר 2022, מדענים מבריטניה שברו את שיא האנרגיה הרבה ביותר שהופקה אי פעם בכור היתוך גרעיני. תוך חמש שניות בלבד הם יצרו 59 מגה-ג'אול, מה שהכפיל את השיאים הקודמים.

אמנם היתוך מעשי עדיין אינו בר ביצוע, ניסויים מוצלחים כמו זה מוכיחים את ההתקדמות המדהימה שמדענים משיגים.

יישומי היתוך גרעיני דורשים מוצרי רצועות ותיל גרעיניים שונים מכורי ביקוע מסורתיים; ישנן סגסוגות שונות, יישומים, דרישות גימור ותכונות מכניות שונות. לדוגמה, Hastelloy C276 וסגסוגות ניקל אחרות נפוצות יותר ביישומי היתוך שבהם נדרשת מוליכות-על.

בדיוק כפי שהמהנדסים חייבים להתגבר על מכשולים מאתגרים עם פתרונות חדשניים, יצרני חומרים חייבים לקדם את היכולות שלהם כדי שסגסוגות חדשות, דרישות גימור ותכונות מכניות יהיו חלק מהחזית החדשה הזו.

בינתיים, התפתחויות מרגשות אחרות מתמקדות בשיפור תהליך הביקוע, כולל שימוש בתוריום כדלק גרעיני במקום אורניום או פלוטוניום. כמה מדענים מאמינים שתוריום הוא קריטי לעתידה של האנרגיה הגרעינית מכיוון שהוא הרבה יותר בשפע בטבע, יפיק פחות פסולת וקשה יותר לנשק אותו.

תקני איכות ובטיחות דרושים לשוק האנרגיה הגרעינית

בעת ייצור חומרים ליישומי אנרגיה גרעינית, מערכות איכות ובטיחות הן ערך עליון.

סביבות אלה תובעניות מדי, והעלויות של כשל חומר גבוהות מכדי לחתוך פינה אחת; הכישלונות של רוב המערכות הגרעיניות כרוכות בהשפלה של חומרים כאשר הם מקיימים אינטראקציה עם סביבות רדיואקטיביות תובעניות אלה.

תקנות ופיקוח ממשלתיים מבטיחים שכל שרשרת האספקה עומדת בתקני איכות. בארצות הברית, הוועדה לרגולציה גרעינית (NRC) היא הגוף המנהל העיקרי. דוגמאות במדינות אחרות כוללות את המשרד לרגולציה גרעינית (ONR) בבריטניה, רשות הרגולציה הגרעינית (NRA) ביפן והנציבות האירופית (EUROPA) באיחוד האירופי.

ועדות רגולטוריות אלו משתפות פעולה עם ארגוני תקנים, כמו האגודה האמריקאית למהנדסי מכונות (ASME), כדי לפתח תקני קונצנזוס למערכות, ציוד וחומרים המשמשים בתעשייה.

מפעלים ומגלגלים מחדש מדויקים המספקים רצועות וחוטים לתעשיית הגרעין חייבים להבטיח שהצוותים שלהם מומחים בשוק זה ומצוידים לעמוד בסטנדרטים המחמירים שלו.

בנוסף, רישומי ספקים מאושרים צריכים לעבור אימות ואימות באופן קבוע. Ulbrich והספקים שלה שומרים על מעמד תחת כל ישויות התכנון והדלק הנוכחיות של כורים גרעיניים ברחבי העולם.

בדיקות וביקורות מקור תכופות על ידי צוותי איכות גרעיניים ספציפיים אוכפים פיקוח על ספקים ובקרות התהליך, בקרות האיכות ומערכות האיכות של הספקים שלהם.

לא רק שמערכות האיכות של Ulbrich צריכות להיות מעודכנות, אלא שליטה הדוקה בכל פס וסגסוגת תיל היא חיונית! PFOs (מתאר זרימת תהליך) הם חובה, והספקים חייבים להכשיר את A.Q. כוח אדם שיהיה מוסמך ומוסמך כמפקחי ייצור ומבקרים.

השורה התחתונה היא שאיכות, הנדסה ו-Q.A. בדיקה היא הכל בשוק הזה.

יישומי רצועה וחוטים גרעיניים

ישנן שלוש מערכות סגסוגת עיקריות לרצועות ותיל דיוק גרעיני. כמה מהם נמצאים בשימוש נפוץ קרוב לחומר בקיע בתהליך ייצור הדלק ויש להם תכונות המתאימות לסביבות מאכלות וטמפרטורה גבוהות אלה.

עבור רצועות וחוטים, שלושת סגסוגות האנרגיה הגרעיניות הנפוצות הללו הן I718N, X750N ו-316LN. כימיה של נמס נשלטת באופן הדוק בתוך סגסוגות אלה, תוך התמקדות באחוזים נמוכים יותר של קובלט (Co) מאשר כימיה טיפוסית. בקרה הדוקה זו חיונית כדי שכורים גרעיניים יפעלו כראוי, וחוסר תשומת לב עלול לגרום לתוצאות הרות אסון.

סגסוגת ניקל 718N ליישומי אנרגיה גרעינית
I718N הוא Inconel® 718, סגסוגת ניקל-כרום הניתנת להקשחת משקעים ובעלת חוזק קרע זחילה גבוה בטמפרטורות גבוהות עד כ-1300 מעלות צלזיוס (700 מעלות צלזיוס).

העמידות של 718N לטמפרטורות גבוהות ותכונות אחרות הופכות אותו לאידיאלי לשימוש במכלולים ומבנים של צרורות דלק גרעיניים בצורת רצועה ותיל כאחד.

למידע נוסף על התכונות הכימיות של I718N, עיין בגיליון הנתונים שלנו.

סגסוגת ניקל 750N עבור יישומי אנרגיה גרעינית

Inconel X750N, עם תוספת של טיטניום ואלומיניום, היא סגסוגת הניתנת להתקשות משקעים ניקל-כרום בעלת חוזק קרע זחילה גבוה בטמפרטורות גבוהות עד כ-130.0°F (700°C). יש לו גם תכונות מצוינות בטמפרטורות קריוגניות, עמידות מעולה בפני קורוזיה וחמצון, וחוזק גבוה בטמפרטורות של עד 1300 מעלות צלזיוס.

אם יישום משתמש ב-I718N או X750N תלוי בתכנון של הכור הגרעיני. אם יש לך שאלות לגבי מקרה השימוש שלך, אל תהסס לפנות אלינו.

נירוסטה 316LN ליישומי אנרגיה גרעינית

316LN היא גרסה דלת פחמן, משופרת בחנקן, של פלדת אל-חלד אוסטניטית מסוג 316.

סגסוגות 316 עמידות יותר בפני קורוזיה כללית מאשר נירוסטה אוסטניטית כרום-ניקל קונבנציונלית ומציעות זחילה גבוהים יותר, קרעי מתח וחוזק מתיחה בטמפרטורות גבוהות.

החנקן ב-316LN מספק התקשות פתרון מוצק, ומעלה את חוזק התפוקה המינימלי שצוין בהשוואה לפלדת אל-חלד 316L.

תכונות אלו הופכות את 316LN לאידיאלי עבור חבילות דלק גרעיני בהן יש צורך בחוזק ועמידות בפני קורוזיה.

סגסוגות אחרות בשימוש באנרגיה גרעינית

• ניוביום
• נקודת ההיתוך הגבוהה מאוד של הניוביום הופכת אותו לדרגת כור גרעיני.
• Hastelloy G30
• G30 היא גרסה בעלת כרום גבוה יותר של G-3 בתוספת קובלט וטונגסטן. העמידות המעולה שלו בפני קורוזיה מתאימה לרכיבי עיבוד דלק גרעיני ועיבוד פסולת גרעינית.
• זירקוניום 702
• לזירקוניום טהור מסחרית יש שכבת תחמוצת מגן לעמידות מעולה בפני קורוזיה.
• יישומי אנרגית תיל ורצועה גרעינית
• קפיצים ודסקיות גרעיניות
• רכיבי מוט דלק
• מערכות סינון
• מכלולי צרור דלק

שיקולים אחרונים

חשוב לציין שהציבור הרחב אינו יכול לקנות רצועות ותיל באיכות גרעינית, ואפשרויות המקור הן מינימליות. תקשורת מהנדס למהנדס חיונית בעת בחירה, תכנון או ציון חומרים לשימוש ביישומים גרעיניים.

לסגסוגות כגון I718N, I750N ו-316LN יש מגבלות כימיה מגבילות ייחודיות ושיטות התכה מתקדמות יותר; זה מבטיח שניתן להשתמש בכל סגסוגת בכורים גרעיניים ויוצר ייחוד שלא נמצא בדרגות נירוסטה מסורתיות.

צור קשר עם אחד ממומחי המתכות הגרעיניות שלנו כדי לשתף את הדרישות שלך וללמוד עוד על יכולות הסגסוגת הגרעינית שלנו.