แหวนซีลคาร์บอนกราไฟต์ในโรงไฟฟ้านิวเคลียร์: วัสดุสำคัญตั้งแต่ปั๊มหล่อเย็นหลักจนถึงระบบฉุกเฉิน

โรงไฟฟ้านิวเคลียร์เป็นระบบวิศวกรรมที่ซับซ้อนที่สุดระบบหนึ่ง การล้มเหลวของซีลในปั๊มหล่อเย็นเครื่องปฏิกรณ์ (RCP), ระบบหล่อเย็นฉุกเฉิน (ECCS) หรือจุดเจาะผ่านผนังห้องกักเก็บ อาจทำให้สารกัมมันตรังสีรั่วไหลและก่อให้เกิดผลร้ายแรง คาร์บอนกราไฟต์—ด้วยความต้านทานรังสี, ทนต่ออุณหภูมิสูง, ความเฉื่อยทางเคมี และหล่อลื่นตัวเอง—มีบทบาทที่ไม่สามารถทดแทนได้ในซีลนิวเคลียร์ที่สำคัญ แม้ว่า Huahao Sealing Co., Ltd. จะไม่จัดหาซีลหลักสำหรับ RCP โดยตรง แต่เราได้พัฒนาซีลกราไฟต์เกรดนิวเคลียร์สำหรับระบบวงจรรองและระบบเสริมตามมาตรฐานอุตสาหกรรมนิวเคลียร์ บทความนี้ทบทวนการใช้งานและข้อกำหนดของกราไฟต์ในโรงไฟฟ้านิวเคลียร์

1. ข้อกำหนดพิเศษสำหรับซีลนิวเคลียร์

1.1 ความต้านทานรังสี

การสัมผัสนิวตรอนและรังสีแกมมาในระยะยาวในวงจรหลัก (น้ำบอเรต) ทำลายโครงสร้างโมเลกุล ซีลโพลิเมอร์ (เช่น แหวนโอริงยาง) จะแข็งกรอบและล้มเหลวเมื่อได้รับปริมาณรังสีสะสมเกิน 10⁶ Gy คาร์บอนกราไฟต์ ซึ่งเป็นสารอนินทรีย์ที่ไม่ใช่โลหะ ไม่แสดงการเสื่อมสมรรถนะอย่างมีนัยสำคัญจนถึง 10⁹ Gy — จึงเป็นวัสดุที่เหมาะสมสำหรับโซนที่มีรังสีสูง

ผลกระทบรังสีหลักต่อกราไฟต์:

• ความเสียหายของโครงสร้างผลึก: การฉายรังสีนิวตรอนทำให้คาร์บอนอะตอมเคลื่อนที่ เปลี่ยนแปลงโครงสร้างผลึก ที่ปริมาณรังสีต่ำ (< 10²² n/cm²) กราไฟต์จะขยายตัวเล็กน้อยและการนำความร้อนลดลง
• การกักเก็บพลังงานวิงเกอร์: การฉายรังสีที่อุณหภูมิสูงกักเก็บพลังงานในกราไฟต์ ซึ่งต้องปล่อยออกโดยการอบความร้อน
• การเกิดออกซิเดชัน: อนุมูลอิสระในน้ำที่ถูกฉายรังสีเร่งการเกิดออกซิเดชันของกราไฟต์

เราใช้กราไฟต์เกรดนิวเคลียร์ที่มีความบริสุทธิ์สูง (เถ้า ≤ 100 ppm) ผ่านการกำจัดก๊าซด้วยสุญญากาศที่ 1800°C เพื่อลดการปล่อยก๊าซจากรังสี

1.2 ความทนทานต่ออุณหภูมิสูง

• การทำงานปกติ: 290~330°C
• อุบัติเหตุฐานการออกแบบ (DBA): สูงสุด 350°C
• อุบัติเหตุรุนแรง: อาจเกิน 800°C

กราไฟต์ที่ผ่านการอัดซึมด้วยโลหะสามารถใช้งานต่อเนื่องที่ 450°C; เกรดที่อัดซึมด้วยทองแดงทนได้ถึง 500°C หลีกเลี่ยงการใช้กราไฟต์ที่อัดซึมด้วยเรซินที่อุณหภูมิสูง

1.3 ความเข้ากันได้ทางเคมี

ตัวกลางในวงจรหลักคือ น้ำดีไอออนไนซ์ที่มีกรดโบริก (0~2500 ppm H₃BO₃) และลิเทียมไฮดรอกไซด์ (LiOH, pH 6.9~7.4) กรดโบริกไม่กัดกร่อนกราไฟต์ และ LiOH ความเข้มข้นต่ำไม่ส่งผลต่อกราไฟต์ อย่างไรก็ตาม เครื่องกำเนิดไอน้ำในวงจรรองอาจสัมผัสกับสารกำจัดออกซิเจนชนิดเอมีน (มอร์โฟลีน, ไซโคลเฮกซิลเอมีน) — ต้องประเมินความเข้ากันได้ของสารอัดซึม

1.4 ความต้านทานต่อแผ่นดินไหว

สำหรับโรงงานในโซนแผ่นดินไหว ซีลต้องทนต่อแรงสั่นสะเทือนตามมาตรฐาน Safe Shutdown Earthquake (SSE) ซีลกราไฟต์ต้องผ่านการวิเคราะห์แผ่นดินไหวเพื่อพิสูจน์ว่าไม่มีการแตกเปราะภายใต้สภาวะแผ่นดินไหว

1.5 การติดตามย้อนกลับอย่างเข้มงวด

วงจรการผลิตทั้งหมดต้องสามารถติดตามย้อนกลับได้: หมายเลขล็อตวัตถุดิบ, รายงานการตรวจสอบ, รหัสเครื่องจักร, ผู้ปฏิบัติงาน, รอบการอบความร้อนและกราฟอุณหภูมิ, บันทึกการตรวจสอบ, ใบรับรอง, การบรรจุ, การจัดส่ง และบันทึกการติดตั้ง

2. การใช้งานทั่วไป

2.1 ซีลปั๊มหล่อเย็นเครื่องปฏิกรณ์

RCP คือ "หัวใจ" ของระบบหล่อเย็นเครื่องปฏิกรณ์ แกนเพลาซีลของปั๊มนี้โดยทั่วไปใช้สามขั้นตอน:

• ขั้นตอนที่ 1: ซีลไฮโดรสแตติก, SiC กับ คาร์บอนกราไฟต์, ทนความดันหลัก 15.5 MPa
• ขั้นตอนที่ 2: ซีลกลสัมผัส, คาร์บอนกราไฟต์ กับ SiC
• ขั้นตอนที่ 3: ซีลเสริมที่มีการรั่วไหลเล็กน้อย

แหวนกราไฟต์ของ RCP ต้องเป็นไปตาม:

• ความบริสุทธิ์ ≥ 99.5%, เถ้า ≤ 500 ppm
• การกำจัดก๊าซด้วยสุญญากาศที่ 1000℃
• ทดสอบรังสีแกมมา 10⁷ Gy
• ความเรียบผิว ≤ 0.3 μm, ความหยาบ Ra ≤ 0.05 μm

2.2 ระบบหล่อเย็นฉุกเฉิน

ECCS ฉีดน้ำโบรอนเข้าสู่แกนเครื่องปฏิกรณ์ในกรณีเกิดอุบัติเหตุ วาล์วและซีลปั๊มใช้ชิ้นส่วนคาร์บอนกราไฟต์ที่ต้องรักษาการซีลไว้ได้อย่างน้อย 30 วันหลังเกิดอุบัติเหตุ

2.3 ซีลเจาะทะลุห้องกักกัน

การเจาะผ่านสายเคเบิลและท่อใช้ซีลพิเศษ ซีลกราไฟต์ต้องคงสภาพไม่เสียหายภายใต้สภาวะอุบัติเหตุเพื่อป้องกันการรั่วไหลของสารกัมมันตรังสี ต้องผ่านการทดสอบอุบัติเหตุที่ 350℃ พร้อมความแตกต่างความดัน 0.4 MPa

2.4 ซีลปั๊มป้อนน้ำวงจรทุติยภูมิ

ปั๊มป้อนน้ำส่งน้ำที่ผ่านการกำจัดอากาศและแร่ธาตุที่อุณหภูมิ 180~220℃ และความดัน 6~8 MPa แหวนกราไฟต์ที่อัดซึมด้วยโลหะตั้งเป้าระยะเวลาการใช้งาน ≥ 8000 ชั่วโมง

2.5 ระบบเสริม

• ซีลพอร์ตฉีดกรดโบริก: ทนกรดโบริก
• ซีลสระเก็บเชื้อเพลิงใช้แล้ว: ทนรังสี
• ซีลระบบบำบัดน้ำเสีย: ทนสารเคมี
• ซีลระบบระบายอากาศ: รั่วไหลต่ำ

3. การประกันคุณภาพสำหรับซีลกราไฟต์เกรดนิวเคลียร์

3.1 ขั้นตอนการออกแบบ

• ออกแบบตามมาตรฐาน RCC-M, ASME BPVC III, GB/T 16714
• วิเคราะห์ความเครียดและแผ่นดินไหวด้วยวิธีองค์ประกอบจำกัด
• ชุดเอกสารออกแบบ: ข้อกำหนด, การคำนวณ, แบบร่าง

3.2 การจัดหาวัสดุ

• ผู้จัดหาที่ผ่านการรับรองสำหรับนิวเคลียร์
• วัสดุตาม ASTM D7219, NB/T 20007
• แต่ละล็อตมีหมายเลขความร้อน, รายงานเคมีและกลไก

3.3 การผลิต

• ตาม RCC-M F หรือ ASME III NB ย่อย
• ช่างเชื่อมและผู้ตรวจสอบมีใบรับรองนิวเคลียร์
• จุดตรวจสอบ (H) และจุดสังเกต (W) ในขั้นตอนสำคัญ

3.4 การตรวจสอบและทดสอบ

• ขนาด: ตรวจสอบ 100% ขนาดสำคัญ
• NDT: การซึมผ่าน, อัลตราโซนิก, เอ็กซ์เรย์
• ประสิทธิภาพ: การซีล, การทดสอบแผ่นดินไหว, การทดสอบรังสี
• การทดสอบประเภท: มากกว่า 1000 ชั่วโมงภายใต้สภาวะจำลองการใช้งาน

3.5 เอกสารและการติดตาม

• เอกสารสิ้นสุดการผลิต (EDMF) รวมบันทึกการผลิตและตรวจสอบทั้งหมด
• ใบรับรองลงนามโดยหน่วยงานที่ได้รับอนุญาต
• หมายเลขซีเรียลเฉพาะสำหรับแต่ละชิ้นส่วน ติดตามได้ตลอดอายุการใช้งาน

4. ความสามารถด้านนิวเคลียร์ของ Huahao Sealing

4.1 ผลิตภัณฑ์ที่พัฒนาแล้ว

• แหวนซีลกราไฟต์ปั๊มป้อนน้ำวงจรทุติยภูมิ (เกรดนิวเคลียร์ M106D)
• แหวนซีลวาล์วเสริมกราไฟต์
• ซีลสระเก็บเชื้อเพลิงใช้แล้ว
• บุชชิ่งกราไฟต์ปั๊มระบบฉุกเฉิน

4.2 ผลิตภัณฑ์ที่อยู่ระหว่างพัฒนา

• แหวนซีลกราไฟต์ขั้นที่สองของ RCP (ร่วมกับพันธมิตรวิจัย)
• ซีลกราไฟต์สำหรับเครื่องปฏิกรณ์ก๊าซความร้อนสูง
• ซีลกราไฟต์สำหรับเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์แบบเร็วที่หล่อเย็นด้วยโซเดียม

4.3 การรับรอง

• ใบรับรองการประกันคุณภาพนิวเคลียร์ NB/T 20037
• ผู้จัดหาที่ผ่านการรับรองของ CNNC และ CGN
• บุคลากร NDT ที่มีใบรับรองนิวเคลียร์

5. กรณีตัวอย่างการใช้งานทั่วไป

ปั๊มป้อนน้ำวงจรทุติยภูมิที่โรงไฟฟ้านิวเคลียร์ใช้แหวนซีลกราไฟต์อัดซึมด้วยแอนติโมนี M106D-N: ขนาดใน 110 มม., ขนาดนอก 140 มม., อุณหภูมิ 220℃, ความดัน 7.5 MPa ข้อมูลการใช้งาน:

• การรั่วไหล: 8 มล./ชม. (ข้อกำหนด ≤ 30 มล./ชม.)
• อัตราการสึกหรอ: 0.02 มม./1000 ชม.
• ชั่วโมงการใช้งานสะสม: 24,000 ชั่วโมง
• อุณหภูมิผิวหน้า: อุณหภูมิแวดล้อม + 18℃

ผลิตภัณฑ์ผ่านการประเมินของ CNNC และทดแทนสินค้านำเข้าได้สำเร็จแล้ว

6. แนวโน้ม

6.1 การทดแทนภายในประเทศ

การเร่งก่อสร้างโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ภายในประเทศผลักดันความต้องการแหวนซีลกราไฟต์เกรดนิวเคลียร์ Huahao Sealing Co., Ltd. ลงทุนอย่างแข็งขันในการวิจัยและพัฒนาเพื่อสนับสนุนการทดแทนภายในประเทศ

6.2 เครื่องปฏิกรณ์โมดูลาร์ขนาดเล็ก (SMR)

แหวนซีลสำหรับ SMR มีขนาดเล็กกว่าและต้องการความน่าเชื่อถือสูงขึ้น จึงจำเป็นต้องใช้วัสดุกราไฟต์และโครงสร้างแหวนซีลใหม่

6.3 เครื่องปฏิกรณ์เจนเนอเรชันที่ 4

เครื่องปฏิกรณ์ที่ใช้ก๊าซความร้อนสูงและเครื่องปฏิกรณ์เร็วใช้สื่อฮีเลียมและโซเดียมเหลว ซึ่งก่อให้เกิดความท้าทายใหม่สำหรับแหวนซีลกราไฟต์

บทสรุป

แหวนซีลคาร์บอนกราไฟต์เกรดนิวเคลียร์มีความสำคัญต่อการดำเนินงานโรงไฟฟ้านิวเคลียร์อย่างปลอดภัย การออกแบบ การผลิต และการประกันคุณภาพต้องเป็นไปตามมาตรฐานนิวเคลียร์อย่างเคร่งครัด Huahao Sealing Co., Ltd. มีความสามารถด้านการวิจัยและพัฒนา รวมถึงการผลิต เพื่อจัดหาวิธีแก้ปัญหาแหวนซีลสำหรับระบบวงจรทุติยภูมิและระบบเสริม เราขอต้อนรับความร่วมมืออย่างลึกซึ้งกับสถาบันออกแบบนิวเคลียร์และผู้ผลิตอุปกรณ์เพื่อส่งเสริมการทดแทนภายในประเทศ กรุณาติดต่อทีมวิศวกรของเราเพื่อหารือเกี่ยวกับความร่วมมือ