- ▸Углеродный графит не демонстрирует значительного ухудшения характеристик при суммарной дозе радиации до 10⁹ Гр, что делает его предпочтительным материалом для зон с высоким уровнем радиации в ядерной энергетике.
- ▸Уплотнительные кольца из графита для РКН (насосов циркуляции реактора) требуют чистоты ≥ 99,5%, вакуумного дегаза при 1000°C, испытаний гамма-облучением до 10⁷ Гр и плоскостности рабочей поверхности ≤ 0,3 μm.
- ▸Для работы при высоких температурах необходимо использовать графит с металлической пропиткой (сурьма до 450°C, медь до 500°C); графит с пропиткой смолой запрещён.
- ▸Уплотнительное кольцо из графита M106D-N с пропиткой сурьмой для вторичного контура насоса подачи проработало 24 000 часов с утечкой 8 мл/ч, превзойдя стандартные показатели.
Атомная электростанция — одна из самых сложных инженерных систем, когда-либо созданных. Отказ уплотнений в насосе циркуляции реактора (РКН), системе аварийного охлаждения активной зоны (ECCS) или в проходах гермооболочки может привести к утечке радиоактивных сред с катастрофическими последствиями. Углеродный графит — благодаря радиационной стойкости, высокой термостойкости, химической инертности и самосмазывающимся свойствам — играет незаменимую роль в критически важных ядерных уплотнениях. Хотя Huahao Sealing Co., Ltd. не поставляет первичные уплотнения РКН напрямую, мы разработали несколько графитовых уплотнений ядерного класса для систем вторичного контура и вспомогательных систем на основе стандартов ядерной отрасли. В этой статье рассматриваются применения и требования к графиту в ядерной энергетике.
1. Особые требования к ядерным уплотнениям
1.1 Радиоактивная стойкость
Длительное воздействие нейтронов и гамма-излучения в первичном контуре (борированная вода) разрушает молекулярные структуры. Полимерные уплотнения (например, резиновые уплотнительные кольца) становятся хрупкими и выходят из строя при суммарной дозе свыше 10⁶ Гр. Углеродный графит, являющийся неорганическим неметаллом, не демонстрирует значительного ухудшения характеристик до 10⁹ Гр — это предпочтительный материал для зон с высокой радиацией.
Основные радиационные эффекты на графит:
- Повреждение кристаллической решётки: нейтронное облучение смещает атомы углерода, изменяя структуру кристалла. При низких дозах (< 10²² нейтрон/см²) графит слегка расширяется, а теплопроводность снижается.
- Накопление энергии Вигнера: при облучении при высоких температурах в графите накапливается энергия, которая должна быть освобождена отжигом.
- Окисление: свободные радикалы в облучённой воде ускоряют окисление графита.
Мы используем графит ядерного класса высокой чистоты (зола ≤ 100 ppm), подвергаемый вакуумному дегазированию при 1800°C для снижения выделения газов, вызванных радиацией.
1.2 Термическая стойкость
- Нормальная эксплуатация: 290~330°C
- Проектная авария (DBA): до 350°C
- Тяжёлая авария: может превышать 800°C
Графит с металлической пропиткой используется непрерывно при 450°C; сорта с медной пропиткой выдерживают до 500°C. Графит с пропиткой смолой при высоких температурах применять нельзя.
1.3 Химическая совместимость
Среда первичного контура — деонизированная вода с борной кислотой (0~2500 ppm H₃BO₃) и гидроксидом лития (LiOH, pH 6,9~7,4). Борная кислота не корродирует графит; низкая концентрация LiOH не влияет на графит. Однако парогенератор вторичного контура может контактировать с аминными кислородными поглотителями (морфолин, циклогексиламин) — совместимость пропитки должна быть проверена.
1.4 Сейсмостойкость
Для АЭС, расположенных в сейсмически активных районах, уплотнения должны выдерживать нагрузки безопасного останова при землетрясении (SSE). Графитовые уплотнения требуют сейсмического анализа, подтверждающего отсутствие хрупкого разрушения при сейсмических воздействиях.
1.5 Строгая прослеживаемость
Весь производственный цикл должен быть прослеживаем: номер партии сырья, отчёты инспекций, идентификаторы оборудования, операторы, циклы термообработки и температурные графики, записи контроля, сертификаты, упаковка, отгрузка и монтаж.
2. Типичные применения
2.1 Уплотнение насоса охлаждающей жидкости реактора
Насос охлаждающей жидкости реактора (RCP) является «сердцем» системы охлаждения реактора. Уплотнение вала обычно состоит из трёх ступеней:
- Ступень 1: гидростатическое уплотнение, SiC против углеродного графита, выдерживает первичное давление 15,5 МПа
- Ступень 2: контактное торцевое уплотнение, углеродный графит против SiC
- Ступень 3: вспомогательное уплотнение, обеспечивающее минимальные утечки
Графитовые кольца для RCP должны соответствовать следующим требованиям:
- Чистота ≥ 99,5%, зола ≤ 500 ppm
- Вакуумная дегазация при 1000°C
- Испытание гамма-облучением 10⁷ Гр
- Плоскостность поверхности ≤ 0,3 μm, шероховатость Ra ≤ 0,05 μm
2.2 Система аварийного охлаждения активной зоны
ECCS подаёт борированную воду в активную зону при аварийных условиях. Клапаны и уплотнения насосов используют детали из углеродного графита, которые должны сохранять герметичность в течение 30 дней после аварии.
2.3 Уплотнения проходов гермооболочки
Проходы для кабелей и трубопроводов оснащаются специальными уплотнениями; графитовые уплотнения остаются неповреждёнными при аварийных условиях, предотвращая выброс радиоактивных веществ. Они должны выдерживать испытания при 350°C и перепаде давления 0,4 МПа.
2.4 Уплотнение подпиточного насоса вторичного контура
Подпиточные насосы подают дегазированную деминерализованную воду при 180~220°C и давлении 6~8 МПа. Графитовые кольца с металлической пропиткой рассчитаны на срок службы не менее 8000 часов.
2.5 Вспомогательные системы
- Уплотнение порта ввода борной кислоты: устойчивость к борной кислоте
- Уплотнение бассейна отработанного топлива: радиационная стойкость
- Уплотнение системы обработки сточных жидкостей: химическая стойкость
- Уплотнение вентиляционной системы: низкие утечки
3. Обеспечение качества графитовых уплотнений ядерного класса
3.1 Этап проектирования
- Проектирование согласно RCC-M, ASME BPVC III, GB/T 16714
- Расчёты напряжений и сейсмического воздействия методом конечных элементов
- Комплект проектной документации: спецификация, расчёты, чертежи
3.2 Закупка материалов
- Квалифицированные поставщики ядерного оборудования
- Материалы по стандартам ASTM D7219, NB/T 20007
- Каждая партия сопровождается номером плавки, химическим и механическим отчётами
3.3 Производство
- В соответствии с RCC-M F или ASME III NB подразделом
- Сварщики и инспекторы имеют ядерную квалификацию
- Контрольные точки (H) и точки наблюдения (W) на ключевых операциях
3.4 Контроль и испытания
- Размеры: 100% проверка ключевых параметров
- Неразрушающий контроль: капиллярный, ультразвуковой, рентгеновский
- Испытания производительности: герметичность, сейсмическая устойчивость, облучение
- Типовые испытания: более 1000 часов в условиях, имитирующих эксплуатацию
3.5 Документация и прослеживаемость
- Досье по окончании производства (EDMF) включает все записи о производстве и контроле
- Сертификат, подписанный уполномоченным органом
- Уникальный серийный номер каждой детали с возможностью прослеживания в течение всего срока службы
4. Ядерные возможности Huahao Sealing
4.1 Разработанные изделия
- Графитовые уплотнительные кольца для подпиточного насоса вторичного контура (ядерный класс M106D)
- Графитовые кольца уплотнений вспомогательных клапанов
- Уплотнения бассейна отработанного топлива
- Графитовые втулки насосов аварийных систем
4.2 Изделия в разработке
- Графитовые кольца уплотнений второй ступени RCP (в сотрудничестве с научными партнёрами)
- Графитовые уплотнения для высокотемпературных газоохлаждаемых реакторов
- Графитовые уплотнения для быстрых натриевых реакторов
4.3 Квалификации
- Сертификация системы обеспечения качества ядерного класса NB/T 20037
- Квалифицированный поставщик CNNC и CGN
- Персонал НКТ с ядерными допусками
5. Типичный пример применения
Подпиточный насос вторичного контура на атомной станции использует наше графитовое уплотнительное кольцо с сурьмяной пропиткой M106D-N: внутренний диаметр 110 мм, внешний диаметр 140 мм, температура 220°C, давление 7,5 МПа. Эксплуатационные данные:
- Утечка: 8 мл/ч (технические требования ≤ 30 мл/ч)
- Скорость износа: 0,02 мм/1000 ч
- Накопленная наработка: 24 000 часов
- Температура поверхности: окружающая + 18°C
Изделие прошло оценку CNNC и заменяет импортные аналоги.
6. Тенденции
6.1 Замещение отечественными материалами
Ускоренное строительство отечественных атомных электростанций стимулирует спрос на уплотнения из углеродного графита ядерного класса. Huahao Sealing Co., Ltd. активно инвестирует в НИОКР в поддержку отечественного замещения.
6.2 Малые модульные реакторы (ММР)
Уплотнения для ММР имеют меньшие размеры и требуют повышенной надежности, что требует новых графитовых материалов и конструкций уплотнений.
6.3 Реакторы IV поколения
Реакторы с газовым охлаждением на высоких температурах и быстрые реакторы используют гелий и жидкий натрий в качестве теплоносителей, что создает новые вызовы для уплотнений из углеродного графита.
Заключение
Уплотнения из углеродного графита ядерного класса являются необходимыми для безопасной эксплуатации атомных электростанций. Их проектирование, производство и контроль качества должны строго соответствовать ядерным стандартам. Huahao Sealing Co., Ltd. обладает НИОКР и производственными возможностями для поставки уплотнительных решений для систем вторичного контура и вспомогательных систем. Мы приветствуем тесное сотрудничество с институтами ядерного проектирования и производителями оборудования для продвижения отечественного замещения. Пожалуйста, свяжитесь с нашей инженерной командой для обсуждения сотрудничества.