เครื่อง ปั่น ระบบ ปฏิกิริยา ที่ มี พัฒนาการ ส่ง เสริม มาตรฐาน ความ ปลอดภัย ของ ระบบ นิวเคลียร์

ลองจินตนาการถึงยักษ์เหล็กที่ฝังลึกอยู่ภายในแกนกลางของโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ ทนต่อแรงดันและรังสีที่คาดไม่ถึง ในขณะที่ปกป้องการแสวงหาพลังงานสะอาดของมนุษยชาติ นี่คือภาชนะรับความดันของเครื่องปฏิกรณ์ (RPV) ซึ่งเป็นรากฐานสำคัญของความปลอดภัยของโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ บทความนี้เจาะลึกถึงส่วนประกอบที่สำคัญนี้ สำรวจวิศวกรรมที่ยอดเยี่ยม การเลือกวัสดุอย่างเข้มงวด และเทคโนโลยีความปลอดภัยที่พัฒนาขึ้น

ภาชนะรับความดันของเครื่องปฏิกรณ์เป็นส่วนประกอบสำคัญของโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ ทำหน้าที่เป็นป้อมปราการที่แข็งแกร่งซึ่งห่อหุ้มสารหล่อเย็นของเครื่องปฏิกรณ์ การป้องกันแกนกลาง และชุดเชื้อเพลิง ซึ่งแตกต่างจากเครื่องปฏิกรณ์ RBMK ในยุคโซเวียต ซึ่งวางชุดเชื้อเพลิงแต่ละชุดในท่อขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 8 ซม. โรงงานนิวเคลียร์สมัยใหม่ส่วนใหญ่พึ่งพา RPV เพื่อความปลอดภัย แม้ว่าเครื่องปฏิกรณ์มักจะถูกจัดประเภทตามประเภทของสารหล่อเย็นมากกว่าการกำหนดค่าภาชนะ แต่การมีอยู่และการออกแบบของภาชนะรับความดันส่งผลกระทบโดยตรงต่อความปลอดภัยและประสิทธิภาพของโรงงาน

การจำแนกประเภทเครื่องปฏิกรณ์ทั่วไป ได้แก่:

• เครื่องปฏิกรณ์น้ำเบา (LWRs): ประเภทที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุด รวมถึงเครื่องปฏิกรณ์น้ำอัดความดัน (PWRs) และเครื่องปฏิกรณ์น้ำเดือด (BWRs)
• เครื่องปฏิกรณ์ที่ใช้กราไฟต์เป็นตัวหน่วง: ตัวอย่างเช่น เครื่องปฏิกรณ์ Chernobyl RBMK ที่มีการออกแบบที่แตกต่างอย่างสิ้นเชิงจากโรงงานนิวเคลียร์พลเรือนส่วนใหญ่ทั่วโลก
• เครื่องปฏิกรณ์ความร้อนระบายความร้อนด้วยก๊าซ: รวมถึงเครื่องปฏิกรณ์ระบายความร้อนด้วยก๊าซขั้นสูง (AGRs) เครื่องปฏิกรณ์เพาะพันธุ์เร็วระบายความร้อนด้วยก๊าซ และเครื่องปฏิกรณ์ความร้อนสูงระบายความร้อนด้วยก๊าซ เครื่องปฏิกรณ์ Magnox ของสหราชอาณาจักรเป็นตัวอย่างคลาสสิก
• เครื่องปฏิกรณ์น้ำหนักเบาอัดความดัน (PHWRs): ใช้น้ำหนัก (เสริมด้วยดิวเทอเรียม) เป็นตัวหน่วงหรือสารหล่อเย็น เครื่องปฏิกรณ์ CANDU ของแคนาดาเป็น PHWR ที่โดดเด่น
• เครื่องปฏิกรณ์ระบายความร้อนด้วยโลหะเหลว: ใช้โลหะหลอมเหลว เช่น โซเดียมหรือโลหะผสมตะกั่ว-บิสมัทสำหรับการระบายความร้อน
• เครื่องปฏิกรณ์เกลือหลอมเหลว (MSRs): ใช้เกลือหลอมเหลวชนิดฟลูออไรด์เป็นสารหล่อเย็น ทำงานที่อุณหภูมิสูงและความดันต่ำ MSRs ช่วยลดความเครียดบนภาชนะเครื่องปฏิกรณ์

ในบรรดาเครื่องปฏิกรณ์หลักที่ใช้ภาชนะรับความดัน PWR เผชิญกับความท้าทายที่แตกต่างกัน: การฉายรังสีนิวตรอน (หรือความคล่องแคล่วของนิวตรอน) ในระหว่างการทำงานจะทำให้วัสดุภาชนะเปราะลงเรื่อยๆ ในทางตรงกันข้าม ภาชนะ BWR ซึ่งมีขนาดใหญ่กว่า ให้การป้องกันนิวตรอนที่ดีกว่า แม้ว่าจะเพิ่มต้นทุนการผลิต แต่ก็ไม่จำเป็นต้องทำการอบอ่อนเพื่อยืดอายุการใช้งาน

เพื่อยืดอายุการใช้งานของภาชนะ PWR ผู้ให้บริการด้านนิวเคลียร์ เช่น Framatome (เดิมคือ Areva) และผู้ปฏิบัติงานกำลังพัฒนาเทคโนโลยีการอบอ่อน กระบวนการที่มีมูลค่าสูงและซับซ้อนนี้มีจุดมุ่งหมายเพื่อฟื้นฟูคุณสมบัติของวัสดุที่เสื่อมสภาพจากการฉายรังสีเป็นเวลานาน

แม้จะมีการออกแบบที่แตกต่างกัน แต่ภาชนะรับความดัน PWR ทั้งหมดมีคุณสมบัติหลักร่วมกัน:

• ตัวภาชนะ: ส่วนประกอบที่ใหญ่ที่สุด ซึ่งเป็นที่ตั้งของชุดเชื้อเพลิง สารหล่อเย็น และโครงสร้างรองรับ โดยทั่วไปเป็นทรงกระบอกที่มีช่องเปิดด้านบนสำหรับการบรรจุเชื้อเพลิง
• หัวภาชนะ: ติดอยู่ด้านบน มีการเจาะสำหรับไดรฟ์ก้านควบคุมและโพรบระดับสารหล่อเย็น
• ชุดเชื้อเพลิง: อาร์เรย์ของแท่งคล้ายตารางที่มีส่วนผสมของยูเรเนียมหรือยูเรเนียม-พลูโตเนียม
• การป้องกันแกนกลาง: สิ่งกีดขวางทรงกระบอกที่ปกป้องภาชนะจากนิวตรอนเร็ว ซึ่งทำให้เกิดความเปราะ

วัสดุ RPV ต้องทนต่ออุณหภูมิและความดันสูงในขณะที่ลดการกัดกร่อนให้เหลือน้อยที่สุด เปลือกภาชนะมักใช้เหล็กเฟอร์ริติกโลหะผสมต่ำที่หุ้มด้วยสแตนเลสออสเทนนิติกขนาด 3-10 มม. (สำหรับพื้นที่สัมผัสสารหล่อเย็น) การออกแบบที่พัฒนาขึ้นได้รวมโลหะผสมที่เสริมด้วยนิกเกิล เช่น SA-302 B (เหล็ก Mo-Mn) และเกรด SA-533/SA-508 เพื่อเพิ่มความแข็งแรงของผลผลิต เหล็กเฟอร์ริติก Ni-Mo-Mn เหล่านี้ให้การนำความร้อนสูงและทนต่อแรงกระแทก—แต่การตอบสนองต่อรังสีของพวกเขายังคงมีความสำคัญ

ในปี 2018 Rosatom ได้พัฒนาเทคโนโลยีการอบอ่อนด้วยความร้อนเพื่อบรรเทาความเสียหายจากรังสี ซึ่งขยายอายุการใช้งานของภาชนะได้ 15-30 ปี (แสดงให้เห็นที่ Balakovo Unit 1) สภาพแวดล้อมทางนิวเคลียร์ทำให้วัสดุถูกทิ้งระเบิดด้วยอนุภาคอย่างไม่หยุดหย่อน ทำให้เกิดการเคลื่อนที่ของอะตอมและสร้างข้อบกพร่องทางจุลภาค ข้อบกพร่องเหล่านี้—ช่องว่าง การเคลื่อนที่ หรือกลุ่มตัวละลาย—สะสมเมื่อเวลาผ่านไป ทำให้วัสดุแข็งตัวในขณะที่ลดความเหนียว สิ่งเจือปนของทองแดง (>0.1wt%) ทำให้เกิดความเปราะมากขึ้น ทำให้เกิดความต้องการเหล็กที่ "สะอาดกว่า"

การคืบคลาน—การเสียรูปพลาสติกภายใต้ความเครียดอย่างต่อเนื่อง—ทวีความรุนแรงขึ้นที่อุณหภูมิสูงเนื่องจากการเคลื่อนที่ของข้อบกพร่องที่เร็วขึ้น การคืบคลานที่ช่วยด้วยรังสีเกิดขึ้นจากการโต้ตอบระหว่างความเครียดและจุลภาค ในขณะที่ไอออนของไฮโดรเจน (จากการสลายตัวด้วยรังสีของสารหล่อเย็น) ทำให้เกิดการแตกร้าวจากการกัดกร่อนจากความเครียดผ่านกลไกสามทฤษฎี: การลดการยึดเกาะ แรงดันภายใน หรือการพองตัวของมีเทน

แนวทางใหม่มีจุดมุ่งหมายเพื่อรักษาเสถียรภาพของอะตอมที่เคลื่อนที่โดยใช้ขอบเกรน ตัวละลายขนาดใหญ่ หรือการกระจายตัวของออกไซด์ (เช่น yttria) สิ่งเหล่านี้ช่วยลดการแยกองค์ประกอบ ปรับปรุงความเหนียวและความต้านทานการแตกร้าว จำเป็นต้องมีการวิจัยเพิ่มเติมเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพของโลหะผสมที่ทนต่อรังสี

ณ ปี 2020 ผู้ผลิต RPV รายใหญ่ ได้แก่:

• จีน: China First Heavy Industries, Erzhong, Harbin Electric, Shanghai Electric
• ฝรั่งเศส: Framatome
• อินเดีย: L&T Special Steels (ร่วมกับ BARC/NPCIL)
• ญี่ปุ่น: Japan Steel Works, IHI Corporation
• รัสเซีย: OMZ-Izhora, ZiO-Podolsk, AEM-Atommash
• เกาหลีใต้: Doosan
• สหราชอาณาจักร: Rolls-Royce (เครื่องปฏิกรณ์ทางเรือ)