Viruminen korkean lämpötilan kaasujäähdytteisissä reaktoreissa

1. Viruminen korkean lämpötilan kaasujäähdytteisissä reaktoreissa Kati Miettunen

2. Sisällysluettelo • Johdanto • Virumismekanismit • Virumisongelmat • Korkean lämpötilan komponentit HTGR:ssa • Materiaalit • Materiaalitutkimus • Materiaalien kehitys • Yhteenveto ja pohdinnat

3. HTGR:ien rakentamisesta • korkeampi lämpötila → parempi hyötysuhde • jäähdytteen lämpötila lähes 1000 C → hyötysuhde noin 50 % • korkeat lämpötilat aiheuttavat materiaaliteknisiä ongelmia tärkeimpänä viruminen • parannettu turvallisuus

4. Kun metalliin kohdistuva lämpötila ja jännitys ovat tarpeeksi korkeat, metallissa alkaa esiintyä viskoplastisia ajasta riippuvia muodonmuutoksia eli virumista. Mitä korkeampi lämpötila on jännityksen yhteydessä, sitä voimakkaampaa viruminen on. Viruminen on nimenomaan pitkän aikavälin ongelma. Tarpeeksi korkeissa lämpötiloissa kappaleen oma painokin aiheuttaa virumista. Viruminen Venyttävän jännityksen aiheuttamaa virumista. [2]

5. Dislokaatio: Yhden atomietäisyyden suuruinen liike Tapahtuu alhaisissa lämpötiloissa Virumismekanismit (1/3) Dislokaatio. [4]

6. Diffuusio: Atomien liikkumista kiinteässä materiaalissa Vakanssidiffuusiossa atomi liikkuu vakanssiin eli hilapisteeseen, josta puuttuu atomi Vakanssien määrään vaikuttaa eniten lämpötila Virumismekanismit (2/3) Vakanssidiffuusio. [4]

7. Raerajaliukuminen: Rae on kappale, jonka sisällä kiderakenne on jatkuva. Raerajaksi sanotaan rakeiden rajapintaan, joissa kahden rakeen välillä hilatasojen orientaatiot poikkeavat riittävästä. Raerajaliukuminen on rakeiden liukumista toisiinsa nähden. Virumismekanismit (3/3) Raeraja. [4]

8. Virumisongelmat HTGR:issa • virumismurtuminen (creep rupture) • virumislommahtaminen (creep buckling) • virumisväsyminen (creep fatigue) • viruminen kaikilla edellä mainituilla virumistavoilla voi saada aikaan vielä neljännen vikatyypin: liiallisen epämuodostumisen aiheuttaman käyttötarkoituksen menetyksen

9. Vetävien jännitysten aiheuttamaan virumista. Väli ’A-B’ on primaarinen (transient) vaiheeksi: virumisnopeus pienenee. ’B-C’ on sekundaarinen vaihe (steady-state): virumisnopeus pysyy vakiona. ’C-D’ on tertiaarinen vaihe: virumisnopeus kiihtyy ja päättyy lopulta kappaleen murtumiseen. Virumiskäyrät ovat vastaavat kuvassa, jos kuormitukset vakiona ja lämpötilaa muutettaisiin. Erisuuruisia kuormituksia vastaavia virumiskäyriä lämpötilan ollessa vakio. [1] FI < FII < FIII < FIV Virumismurtuminen (1/2)

10. Virumismurtuminen (2/2) Virumisen venymän ε ja jännityksen  relaatiota primaarisessä ja sekundaarisessä [1] A ja n ovat kokeellisesti määritettäviä materiaalivakiota (riippuvat myös lämpötilasta). E on kimmokerroin.

11. Virumislommahtaminen • Jännitykset ovat puristavia. • Virumislommahtamisen eteneminen • kappaletta puristavat voimat eivät ole täysin kohti suorassa kappaletta vastaan • kappale alkaa taipua • kappaleen muuttuminen taivutuksen alaisena eli viruminen • ajaudutaan itseään ruokkivaan tilanteeseen • lopulta kyseisen systeemin romahtaminen

12. Virumisväsyminen • Virumisen ja lämpötilan vaihteluista aiheutuneen väsymisen yhdistelmä. • Esiintyy esimerkiksi sellaisissa kohteissa, joissa on lämpötilaeroja ja/tai kappaleiden liitoksia, joissa kappaleilla on erilaiset lämpölaajenemiskertoimet.

13. Korkean lämpötilan komponentit Japanin HTGR-tyyppisessä testirektorissa HTTR:ssä [3]

14. Korkean lämpötilan materiaalit [2]

15. Materiaalit lämpötiloihin 400-500 C Terästyypit jaetaan niihin käytössä kohdistuvan rasituksen mukaan: • Lievää/kohtuullista rasitusta: • Seostettuja teräksiä • Sisältävät kromia (Cr), molybdeeniä (Mo) tai vanadiinia (V) • Käyttökohteita: pääosin rakenteiden ulkokuorissa ja muissa suojaavissa rakenteissa esimerkiksi kaksoisputkituksen ulompi putki, lämmönvaihtimen kuori yms. • Japanin HTTR:ssa 9/4Cr-1Mo teräs samankeskeisen putkituksen ulommissa putkissa ja 1Cr-1/2Mo-V teräs pulteissa • Suurempaa rasitusta: • Austeniittista ruostumatonta terästä • Käytetään reaktorin sisemmissä osissa esim. kuumavesiputkissa • Austeniittiset ruostumattomat teräkset kalliita ja komponenttien valmistaminen niistä työlästä. • Austeniittiset teräkset eivät ole magneettisia. • Japanin HTTR:ssa austeniittiset SUS321 ja SUS316 teräkset

16. Materiaalit lämpötiloihin 900-1000 C • Lämpötiloissa 900-1000C reaktorin sisimpiä osia esim. lämmönvaihtimen putket. • Korroosion vaikutus käyttökohteissa oleellinen. • Nikkeli- tai kobolttipohjaisia superseokset. • Japanin HTTR:ssa materiaaliksi valittu Hastelloy XR, joka on nikkelipohjainen superseos.

17. Materiaalien tutkimus Materiaalitutkimus on kaksivaiheinen prosessi: • Vaihe 1: Kaikkien mahdollisten virhemoodien kartoitus, jotka liittyvät kunkin materiaalin käyttökohteeseen kussakin käyttölämpötilassa. • Vaihe 2: Mitoitusrajoitukset ja käyttösäännöt turvallisuus marginaaleineen kunkin virhemoodin välttämiseksi.

18. Tutkimusesimerkki: Hastelloy XR (1/2) Hastelloy XR:lle virumisesta aiheutuvaa venymisnopeutta virumisen sekundaarisessa vaiheessa lämpötilassa 950 C [6]: on yksikössä (1/h) ja  (MPa).

19. Tutkimusesimerkki: Hastelloy XR (2/2) Virumismurtumisaika. [3]

20. Materiaalien kehitys Edistyneiden materiaalien myötölujuus. [2]

21. Hastelloy XR:n kehittäminen • Hastelloy XR on kehitetty Hastelloy X:stä, jota puolestaan käytetään suihkumoottoreissa. Korkeissa lämpötiloissa virumista vastustavia materiaaleja kehitetään maalle sijoitettujen moottorien ja turbiinien lisäksi erilaisiin lentokoneiden moottoreihin. • Hastelloy X on kehitetty jo 1950-luvulla ja Hastelloy XR 1980-luvulla. • HTGR:issa on olosuhteita, joita ei muissa sovelluksissa esiinny, esimerkiksi säteily ja kaasujäähdyte helium. • Hastelloy XR:a varten parannettiin ensinnäkin materiaalinyleistä kestävyyttä vähentämällä alumiini- ja titaanipitoisuuksia sekä optimoitiin mangaani- ja piipitoisuuksia. Toiseksi keskityttiin materiaalin soveltuvuuteen HTTR:n olosuhteisiin: Kobalttipitoisuuden vähentäminen kontaminaatio-ongelmien takia. Booripitoisuus oli myös tarpeen optimoida, sillä vaikka boori lisää virumiskestävyyttä, se kuitenkin ohella aiheuttaa kontaminaatiota reaktorin sydämessä ja heikentää hitsausominaisuuksia.

22. Yhteenveto ja Pohdinnat • Viruminen täytyy ottaa teräksien osalta huomioon, kun lämpötilat ovat yli noin 400 C. • Teräksiä, joissa viruminen alkaa vaikuttaa vasta 500-600 C paikkeilla, on kohtuullisen paljon olemassa eikä näissä lämpötiloissa toimiminen tuota hankaluuksia. • Joitakin hyvinkin korkeisiin lämpötiloihin soveltuvia materiaaleja on kehitetty, mutta näidenkin lämpötilarajana on 1000 C. • Teknologisia hyppyjä ei korkeiden lämpötilan materiaalien osalta ole pitkään aikaan ollut. • Ongelmana sopivien materiaalien kehittämisessä on se, että reaktorimateriaalien pitää virumisen lisäksi kestää muitakin vaikutuksia kuten korroosiota. Yhtä ominaisuutta muuttaessa myös muut ominaisuudet muuttuvat. • Tällä hetkellä esimerkiksi Japanin HTTR:ssa toimitaan materiaalin turvallisen käytettävyyden ylärajoilla. Korkeiden lämpötilojen materiaalien virumiskestävyys rajoittaareaktorityypin kehittämistä.

23. [1] K. Ikonen, K. Kantola, Murtumismekaniikka, Otatieto, 1986 [3] Nabarro, H. de Villiers, The Physics of Creep, Taylor & Francis Ltd, 1995 [3] Y. Tachibana, T. Iyoku, Nuclear Engineering and Design, 233 (2004) p. 261-272 [4] TTY:n “materiaalit ja niiden valinta” -kurssi www.ims.tut.fi/vmv/2004/ [5] B. Boley, J. Weiner, Theory of thermal stresses, Wiley, 1985 [6] Y. Inagaki, K. Kunitomi, M. Futakawa, I. Ikuo, Y. Kaji, Nuclear Engineering and Design, 233 (2004) p. 211-223 [7] HTGR tietokanta www.iaea.or.at/inis/aws/htgr.html Käytetyt lähteet