Vòng Đệm Than Chì Carbon trong Năng Lượng Hạt Nhân: Vật Liệu Quan Trọng Từ Bơm Làm Mát Chính Đến Hệ Thống Khẩn Cấp

Nhà máy điện hạt nhân là một trong những hệ thống kỹ thuật phức tạp nhất từng được xây dựng. Sự cố hỏng vòng đệm trong bơm làm mát lò phản ứng (RCP), hệ thống làm mát lõi khẩn cấp (ECCS) hoặc các điểm xuyên vỏ chứa có thể làm rò rỉ môi trường phóng xạ với hậu quả thảm khốc. Than chì carbon — với khả năng chịu bức xạ, chịu nhiệt cao, tính trơ hóa học và tự bôi trơn — đóng vai trò không thể thay thế trong các vòng đệm quan trọng của ngành hạt nhân. Mặc dù Huahao Sealing Co., Ltd. không trực tiếp cung cấp vòng đệm chính cho RCP, chúng tôi đã phát triển một số vòng đệm graphite cấp hạt nhân cho các hệ thống vòng tuần hoàn phụ và phụ trợ dựa trên tiêu chuẩn ngành hạt nhân. Bài viết này xem xét các ứng dụng và yêu cầu của graphite trong điện hạt nhân.

1. Yêu cầu đặc biệt đối với vòng đệm hạt nhân

1.1 Khả năng chịu bức xạ

Tiếp xúc lâu dài với neutron và tia gamma trong vòng tuần hoàn chính (nước borat) làm phá vỡ cấu trúc phân tử. Vòng đệm polymer (ví dụ, vòng O cao su) bị giòn và hỏng khi vượt quá liều tích lũy 10⁶ Gy. Than chì carbon, một vật liệu vô cơ phi kim loại, không có sự suy giảm hiệu suất đáng kể cho đến 10⁹ Gy — là vật liệu ưu tiên cho các vùng có bức xạ cao.

Các ảnh hưởng chính của bức xạ lên graphite:

• Tổn hại mạng tinh thể: chiếu xạ neutron làm dịch chuyển các nguyên tử carbon, thay đổi cấu trúc tinh thể. Ở liều thấp (< 10²² n/cm²), graphite giãn nở nhẹ và độ dẫn nhiệt giảm.
• Tích trữ năng lượng Wigner: chiếu xạ ở nhiệt độ cao tích trữ năng lượng trong graphite, cần được giải phóng bằng quá trình tôi nhiệt.
• Oxy hóa: các gốc tự do trong nước bị chiếu xạ làm tăng tốc độ oxy hóa graphite.

Chúng tôi sử dụng graphite tinh khiết cao cấp cho ngành hạt nhân (tro ≤ 100 ppm) đã được khử khí chân không ở 1800°C để giảm sự giải phóng khí do bức xạ.

1.2 Khả năng chịu nhiệt cao

• Vận hành bình thường: 290~330°C
• Tai nạn cơ sở thiết kế (DBA): lên đến 350°C
• Tai nạn nghiêm trọng: có thể vượt quá 800°C

Graphite ngâm tẩm kim loại hoạt động liên tục ở 450°C; các loại ngâm tẩm đồng chịu được 500°C. Tránh sử dụng graphite ngâm tẩm nhựa ở nhiệt độ cao.

1.3 Tương thích hóa học

Môi trường vòng tuần hoàn chính là nước khử ion có chứa axit boric (0~2500 ppm H₃BO₃) và lithium hydroxide (LiOH, pH 6,9~7,4). Axit boric không ăn mòn graphite; LiOH ở nồng độ thấp không ảnh hưởng đến graphite. Tuy nhiên, bộ sinh hơi vòng tuần hoàn phụ có thể tiếp xúc với các chất hấp thụ oxy amine (morpholine, cyclohexylamine) — cần đánh giá tính tương thích của vật liệu ngâm tẩm.

1.4 Khả năng chịu động đất

Đối với các nhà máy nằm trong vùng có nguy cơ động đất, vòng đệm phải chịu được tải trọng động đất an toàn (SSE). Vòng đệm graphite cần có phân tích động đất chứng minh không bị gãy giòn dưới điều kiện động đất.

1.5 Truy xuất nguồn gốc nghiêm ngặt

Toàn bộ chu trình sản xuất phải được truy xuất nguồn gốc: số lô nguyên liệu, báo cáo kiểm tra, mã máy, người vận hành, chu trình và biểu đồ nhiệt xử lý nhiệt, hồ sơ kiểm tra, chứng nhận, đóng gói, vận chuyển và lắp đặt.

2. Ứng Dụng Điển Hình

2.1 Vòng Đệm Bơm Làm Mát Lò Phản Ứng

Bơm làm mát lò phản ứng (RCP) là "trái tim" của hệ thống làm mát lò phản ứng. Vòng đệm trục của nó thường sử dụng ba cấp:

• Cấp 1: đệm thủy tĩnh, SiC đối đầu than chì carbon, chịu được áp suất sơ cấp 15,5 MPa
• Cấp 2: đệm kín cơ khí tiếp xúc, than chì carbon đối đầu SiC
• Cấp 3: vòng đệm phụ chứa rò rỉ nhỏ

Vòng đệm than chì carbon cho RCP phải đáp ứng:

• Độ tinh khiết ≥ 99,5%, tro ≤ 500 ppm
• Khử khí chân không ở 1000°C
• Thử nghiệm chiếu xạ gamma 10⁷ Gy
• Độ phẳng mặt ≤ 0,3 μm, độ nhám Ra ≤ 0,05 μm

2.2 Hệ Thống Làm Mát Lõi Khẩn Cấp

ECCS bơm nước borat vào lõi trong điều kiện sự cố. Van và vòng đệm bơm sử dụng các chi tiết than chì carbon phải duy trì kín trong 30 ngày sau sự cố.

2.3 Vòng Đệm Thâm Nhập Vỏ Bọc

Các thâm nhập cáp và ống sử dụng vòng đệm đặc biệt; vòng đệm than chì carbon giữ nguyên vẹn dưới điều kiện sự cố để ngăn chặn phóng xạ rò rỉ. Chúng phải vượt qua thử nghiệm sự cố ở 350°C + chênh áp 0,4 MPa.

2.4 Vòng Đệm Bơm Cấp Nước Vòng Lặp Phụ

Bơm cấp nước cung cấp nước đã loại khí và khử khoáng ở 180~220°C, 6~8 MPa. Vòng đệm than chì carbon ngâm tẩm kim loại hướng tới tuổi thọ ≥ 8000 giờ.

2.5 Hệ Thống Phụ Trợ

• Vòng đệm cổng bơm axit boric: chịu được axit boric
• Vòng đệm hồ nhiên liệu đã sử dụng: chịu được phóng xạ
• Vòng đệm xử lý chất thải lỏng: chịu được hóa chất
• Vòng đệm hệ thống thông gió: rò rỉ thấp

3. Đảm Bảo Chất Lượng Cho Vòng Đệm Than Chì Carbon Cấp Hạt Nhân

3.1 Giai Đoạn Thiết Kế

• Thiết kế theo RCC-M, ASME BPVC III, GB/T 16714
• Phân tích ứng suất và động đất bằng phần tử hữu hạn
• Bộ hồ sơ thiết kế: đặc tả, tính toán, bản vẽ

3.2 Mua Nguyên Liệu

• Nhà cung cấp hạt nhân đủ tiêu chuẩn
• Vật liệu theo ASTM D7219, NB/T 20007
• Mỗi lô có số hiệu nhiệt, báo cáo hóa học và cơ học

3.3 Sản Xuất

• Theo RCC-M F hoặc ASME III NB phần phụ
• Thợ hàn và kiểm tra có chứng chỉ hạt nhân
• Điểm dừng (H) và điểm chứng kiến (W) tại các công đoạn quan trọng

3.4 Kiểm Tra và Thử Nghiệm

• Kích thước: 100% kích thước quan trọng
• NDT: thẩm thấu, siêu âm, tia X
• Hiệu suất: thử kín, thử động đất, thử chiếu xạ
• Thử loại: trên 1000 giờ trong điều kiện mô phỏng thực tế

3.5 Tài Liệu và Truy Xuất

• Hồ sơ kết thúc sản xuất (EDMF) bao gồm tất cả hồ sơ sản xuất và kiểm tra
• Giấy chứng nhận do cơ quan có thẩm quyền ký
• Số sê-ri duy nhất cho mỗi chi tiết, truy xuất trong suốt vòng đời sử dụng

4. Năng Lực Hạt Nhân Của Huahao Sealing

4.1 Sản Phẩm Đã Phát Triển

• Vòng đệm than chì carbon bơm cấp vòng lặp phụ (M106D cấp hạt nhân)
• Vòng đệm van phụ trợ bằng than chì carbon
• Vòng đệm hồ nhiên liệu đã sử dụng
• Bạc lót bơm hệ thống khẩn cấp bằng than chì carbon

4.2 Sản Phẩm Đang Phát Triển

• Vòng đệm than chì carbon cấp hai cho RCP (cùng đối tác nghiên cứu)
• Vòng đệm than chì carbon cho lò phản ứng khí nhiệt độ cao
• Vòng đệm than chì carbon cho lò phản ứng nhanh làm mát bằng natri

4.3 Chứng Nhận

• Chứng nhận đảm bảo chất lượng hạt nhân NB/T 20037
• Nhà cung cấp đủ tiêu chuẩn của CNNC và CGN
• Nhân sự NDT có chứng chỉ hạt nhân

5. Trường Hợp Ứng Dụng Điển Hình

Một bơm cấp vòng lặp phụ tại nhà máy điện hạt nhân sử dụng vòng đệm than chì carbon ngâm tẩm antimon M106D-N: đường kính trong 110 mm, đường kính ngoài 140 mm, 220°C, 7,5 MPa. Dữ liệu vận hành:

• Rò rỉ: 8 mL/h (tiêu chuẩn ≤ 30 mL/h)
• Tỷ lệ mài mòn: 0,02 mm/1000 giờ
• Thời gian vận hành tích lũy: 24.000 giờ
• Nhiệt độ mặt: nhiệt độ môi trường + 18°C

Sản phẩm đã vượt qua đánh giá của CNNC và thay thế các sản phẩm nhập khẩu tương đương.

6. Xu hướng

6.1 Thay thế trong nước

Việc đẩy nhanh xây dựng nhà máy điện hạt nhân trong nước thúc đẩy nhu cầu về vòng đệm than chì carbon đạt chuẩn hạt nhân. Huahao Sealing Co., Ltd. tích cực đầu tư nghiên cứu và phát triển nhằm hỗ trợ thay thế trong nước.

6.2 Lò phản ứng mô-đun nhỏ (SMR)

Vòng đệm cho SMR có kích thước nhỏ hơn và yêu cầu độ tin cậy cao hơn, đòi hỏi vật liệu than chì mới và cấu trúc vòng đệm mới.

6.3 Lò phản ứng thế hệ IV

Lò phản ứng làm mát bằng khí nhiệt độ cao và lò phản ứng nhanh sử dụng môi trường heli và natri lỏng, đặt ra những thách thức mới cho vòng đệm than chì carbon.

Kết luận

Vòng đệm than chì carbon đạt chuẩn hạt nhân là yếu tố thiết yếu cho vận hành an toàn nhà máy điện hạt nhân. Thiết kế, sản xuất và đảm bảo chất lượng của chúng phải tuân thủ nghiêm ngặt các tiêu chuẩn hạt nhân. Huahao Sealing Co., Ltd. có năng lực nghiên cứu phát triển và sản xuất để cung cấp các giải pháp làm kín cho hệ thống vòng tuần hoàn thứ cấp và hệ thống phụ trợ. Chúng tôi hoan nghênh hợp tác sâu rộng với các viện thiết kế hạt nhân và nhà sản xuất thiết bị nhằm thúc đẩy thay thế trong nước. Vui lòng liên hệ đội ngũ kỹ thuật của chúng tôi để thảo luận về hợp tác.