گروه رسانه‌ای پردازش – علاقه‌مندی به رآکتورهای کوچک مدولار (SMRs) در حوزه‌های دولتی، در سطح شرکت‌ها و حتی در میان نهادهای محیط‌زیست رو به افزایش است. اکنون وقت آن فرا رسیده که گزینه‌های مواد موجود برای رآکتورهای کوچک مدولار بررسی شوند.

استفاده از آلیاژهای مقاوم در برابر خوردگی (CRAs) در نیروگاه‌های برق هسته‌ای (NPPs) به خوبی به اثبات رسیده و مستند گردیده و بازدید سریع از تارنماهای کارخانجات نورد فولاد و شرکت‌های زیرمجموعه آنها مؤید این موضوع است. از این رو، “اوتوکومپو” (Outokumpu) که از دهه ۱۹۶۰ به بعد تأمین‌کننده اصلی صنعت هسته‌ای بوده، خاطرنشان کرده که فولاد زنگ‌نزن آستنیتی هم در گریدهای استاندارد و هم در گریدهای خاص برای کاربردهای هسته‌ای، عموماً در رآکتورها مورد استفاده قرار می‌گیرد. خارج از حوزه هسته‌ای، گریدهای مضاعف در حال رشد و رواج یافتن هستند. فولاد زنگ‌نزن نقش کلیدی در تضمین ذخیره‌سازی ایمن و بلندمدت ضایعات هسته‌ای ایفا می‌کند.

“آلیما” (Alleima) نیز مواد خاص مورد نیاز بخش برق هسته‌ای را تأمین می‌کند مانند لوله‌های روکش‌دار سوخت هسته‌ای از آلیاژ زیرکونیم. تا به امروز، بالغ‌بر ۶۰ میلیون متر لوله سوخت هسته‌ای به بیش از ۱۰۰ رآکتور در سراسر جهان عرضه شده است.

در عین حال، پستی در وبلاگ “کوروترم” (Corrotherm) بر پتانسیل آلیاژهای نیکل هم‌چون اینکونل ۶۰۰ و ۶۲۵ (Inconel) تأکید می‌کند. با خصوصیاتی هم‌چون قدرت بالا، مقاومت عالی در برابر خوردگی، مقامت در برابر ترک خوردن و مقاومت خوب در برابر زنگ‌زدگی، نوع ۶۲۵ برای هسته اصلی رآکتور و قطعات میله کنترل رآکتور استفاده می‌شود.

البته فولاد زنگ‌نزن آستنیتی و فریتی را می‌توان در یک رآکتور معمول یافت هر چند که فولاد زنگ‌نزن آستنیتی (عمدتاً گریدهای L316 و L304) برترین انتخاب برای بهره‌برداران و مهندسان هستند زیرا اینگونه به نظر می‌رسد که آن‌ها دارای بالاترین اثربخشی در محیط‌های بسیار گرم و خورنده هستند. مزایای شایان ذکر فولاد آستنیتی عبارتند از مقاومت بالا در برابر خوردگی به ویژه در زمان قرار گرفتن در معرض ابزارهای اکسیده کننده، آلودگی‌زدایی نسبتاً آسان، مقاومت عالی در برابر فشار (حتی در دمای زیر صفر)، آسانی جوشکاری، و در دسترس بودن.

شرکت “مونتانستال” (Montanstahl) نیز کاربردهای زیادی برای L304 و به ویژه L316 قائل است مانند سیستم‌های لوله‌کشی، میله‌های سوخت، مخازن ذخیره‌سازی و قطعات سازه‌ای. به علاوه، بسیاری شرکت‌ها تأکید می‌کنند وجود کبالت (عنصری کم مقدار در ذخایر نیکل) در آلیاژها می‌تواند باعث چالشی جدی برای نیروگاه‌های هسته‌ای شود زیرا این ماده به یک ایزوتوپ به شدت رادیواکتیو تبدیل می‌شود. در طول زمان، این می‌تواند باعث ایجاد خطر برای تکنسین‌های تعمیر و نگهداری شود. به هنگام آماده کردن آلیاژها برای استفاده در نیروگاه‌های برق هسته‌ای، نیکل از ذخایری تأمین می‌شود که به طور طبیعی دارای میزان کبالت بسیار کمی هستند.

تحقیق درباره مواد

مقاله حاضر با جست‌وجو اطلاعات بیشتر در خصوص استفاده (بالقوه) از فولاد زنگ‌نزن در رآکتورهای کوچک مدولار، به سرعت توانست به انبوهی از تلاش‌های علمی و فنی دست یابد. به عنوان مثال، دانشگاه “آلبرتا” (AlbertaUniversity) در حال تحقیق پیرامون تولید مواد با مقاومت بالا در برابر خوردگی برای رآکتورهای کوچک مدولار است.

به گفته این دانشگاه، هدف این پروژه بهینه‌سازی لیزری پارامترهای روش رسوب مستقیم انرژی (DED) برای یک فوق آلیاژ مبتنی‌بر نیکل با مقاومت در برابر خوردگی در دمای بالا با هدف ارزان‌تر و در دسترس‌تر ساختن آن برای رآکتورهای کوچک مدولار است. با کمک این روش لیزری، فوق‌آلیاژهای مبتنی‌بر نیکل برای قطعات کلیدی رآکتورهای کوچک مدولار استفاده خواهند شد. اهداف کلیدی این پروژه عبارتند از غلبه‌بر چالش‌های متالورژیکی در طول فرآوری لیزری همانند پرهیز از بروز عیوب به دلیل همجوشی ناقص و تبخیر عنصر آلیاژکننده. از طریق ترکیب طراحی تجربی و تحلیل‌های مکانیکی، ریزساختاری و خوردگی، هدف تحقیق حاضر روشن کردن جامع مشکلات در طول DED لیزری فوق‌آلیاژهای مبتنی‌بر نیکل است.

در عین حال، دانشمندان در چین به تازگی یک مقاله فنی درباره رفتار خوردگی آلیاژ تیتانیوم TA16 در طول قرار گرفتن طولانی مدت در محیط شبیه‌سازی شده آب یک رآکتور کوچک مدولار منتشر کرده‌اند.

به همین صورت، یک تیم بین‌المللی تکامل لایه‌های دینامیک اکسید و سازوکارهای خوردگی فولاد زنگ‌نزن L308 در محیط‌های شبیه‌سازی شده رآکتور کوچک مدولار را بررسی کرده است. در خلاصه این تحقیق، پژوهشگران می‌گویند: این یافته‌ها سازوکارهای لایه اکسید را روشن می‌کنند و نمایانگر نگرش‌هایی نوآورانه برای بهینه‌سازی طراحی مواد و افزایش طول عمر قطعات رآکتورهای کوچک مدولار تحت خصوصیات متفاوت شیمی آب هستند.

برق هسته‌ای به شکل رآکتورهای کوچک مدولار می‌تواند به شرکت‌های فولاد برای کربن‌زدایی از فرایندهایشان کمک کند.

در انگلستان، مقاله‌ای نوشته شده توسط “سوزان اورتنر” (Susan Ortner) (لابراتوار ملی هسته‌ای) نیازها و گزینه‌های مواد نیروگاه‌های برق هسته‌ای را با بخشی اختصاصی درباره رآکتورهای کوچک مدولار بررسی کرده است. با ذکر این نکته که رآکتورهای کوچک مدولار اغلب مبتنی‌بر نیروگاه‌های برق هسته‌ای با اندازه استاندارد هستند، نویسنده خاطر نشان می‌سازد که محیط‌های رآکتورهای کوچک مدولار اساساً متفاوت با نیروگاه‌های برق هسته‌ای هستند که این امر باعث تقاضای فزاینده برای قطعات می‌شود. به عنوان مثال، نزدیکی بیشتر هسته می‌تواند باعث ناپایداری فزاینده و دمای بالاتر شود و ممکن است قطعات کوچک‌تر از آن باشند که بتوانند چنین فشار بالایی را تحمل کنند و این درحالی است که جریان سریع مواد خنک‌کننده می‌تواند باعث ساییدگی و خوردگی و… شود.

جوشکاری در مخزن تحت فشار رآکتور هسته‌ای (RPV) موضوع مقاله محققان آمریکایی در سال ۲۰۲۴ بود. در بخش مقدمه این مقاله، متن جالبی درج شده است: در مدت زمان بیش از نیم قرن از زمان حذف شدن جوش‌ها در مخزن تحت فشار رآکتور هسته‌ای، فناوری‌های پیشرفته تولید و جوشکاری ظهور کرده‌اند که نمایانگر کیفیت برتر، عملکرد و انسجام بلندمدت‌تر از جوش‌های قوسی زیرپودری هستند. علاقه وافری در میان ذینفعان و قانون‌گذاران صنعت هسته‌ای برای واکاوی فناوری‌های پیشرفته جوشکاری برای ساخت رآکتورهای آب سبک (LWRs)، رآکتورهای کوچک مدولار، مخازن تحت فشار رآکتور هسته‌ای جدید و برای آماده کردن مخازن تحت فشار رآکتور هسته‌ای جدید به منظور افزایش طول عمر خدمات آنها وجود دارد. بعدها، محققان نشان دادند مخازن تحت فشار با یک فولاد زنگ‌نزن آستنیتی برای افزایش مقاومت در برابر خوردگی پوشیده می‌شوند.