Klare Legierung für den Einsatz in hohen Lagen

06. Mai 2020

Alloy 617 – eine Kombination aus Nickel, Chrom, Kobalt und Molybdän – wurde von der American Society of Mechanical Engineers (ASME) zur Aufnahme in ihren Boiler and Pressure Vessel Code zugelassen. Dies bedeutet, dass die Legierung, die vom Idaho National Laboratory (INL) getestet wurde, in den geplanten Salzschmelze-, Hochtemperatur-, gasgekühlten oder Natriumreaktoren verwendet werden kann. Es ist das erste neue Material seit 30 Jahren, das dem Kodex hinzugefügt wurde.

Der Kessel- und Druckbehälterkodex legt Konstruktionsregeln dafür fest, wie viel Belastung akzeptabel ist, und legt die Materialien fest, die für den Kraftwerksbau, auch in Kernkraftwerken, verwendet werden können. Die Einhaltung dieser Spezifikationen gewährleistet die Sicherheit und Leistung der Komponenten.

INL verbrachte 12 Jahre mit der Qualifizierung von Alloy 617, wobei das US-Energieministerium 15 Millionen US-Dollar investierte. Ein Team am INL hat nun in Zusammenarbeit mit Gruppen des Argonne National Laboratory und des Oak Ridge National Laboratory sowie Branchenberatern und internationalen Partnern von ASME die Genehmigung für die Aufnahme der Legierung in den Code erhalten. Designer, die an neuen Hochtemperatur-Kernkraftwerkskonzepten arbeiten, haben jetzt mehr Möglichkeiten, wenn es um die Materialien für die Komponentenkonstruktion geht.

„Das ist eine ziemlich beachtliche Leistung“, sagte Richard Wright, ein emeritierter INL-Laboratoriumsstipendiat, der den INL-Teil und die Gesamtleitung des Projekts leitete. „Im Gegensatz zu Leichtwasseranlagen, der kommerziellen Flotte, wo man vielleicht 50 oder 100 Materialien hatte, die man verwenden konnte, gab es bei Hochtemperaturreaktoren genau fünf, die man verwenden konnte.“

Im Gegensatz zu Leichtwasserreaktoren, die bei etwa 290 °C betrieben werden, werden die vorgeschlagenen Schmelzsalz-, Hochtemperatur-, gasgekühlten oder Natriumreaktoren zwei- oder mehrmals heißer laufen. Daher war es von entscheidender Bedeutung zu bestimmen, was mit der Legierung 617 im Laufe der Zeit bei einer bestimmten Temperatur passiert.

Alle Messungen mussten an verschiedenen Chargen der Legierung 617 durchgeführt werden, um geringfügige Unterschiede in der Zusammensetzung und Herstellung zu berücksichtigen. Einige der Tests waren schnell, beispielsweise die Messung, wie viel Belastung das Material aushalten kann, bevor es bricht. Allerdings dauern einige dieser Tests, beispielsweise solche, bei denen es um Kriechen (die Tendenz einer Substanz, ihre Form im Laufe der Zeit zu ändern) geht, Jahre.

„Es wird sehr schwierig, diese zeitabhängigen Eigenschaften zu messen und zu verstehen“, sagte Wright. ASME erlaubt einen dreifachen Extrapolationsfaktor für die Zeit.

Nach dem Sammeln der Daten zur Legierung 617 legten die Forscher konservative Zahlen für die ASME-Spezifikation fest. Anschließend reichten sie diesen Vorschlag zur Abstimmung ein und leiteten damit die nächste Phase des Prozesses ein, um das Material in den Kodex aufzunehmen. Freiwillige aus der Industrie, nationalen Laboratorien und anderswo sind in den verschiedenen ASME-Arbeitsgruppen, Untergruppen und Ausschüssen tätig, die sich viermal im Jahr treffen, um Änderungen an den Standards zu besprechen.

„Wir haben begonnen, es durch den Abstimmungsprozess zu bringen“, sagte Wright. „Es hat drei volle Jahre gedauert.“ Die endgültige Genehmigung erfolgte Ende 2019.

Nachdem Alloy 617 nun in den ASME-Code aufgenommen wurde, steht den Entwicklern von Hochtemperatur-Kernkraftwerken ein neues Material zur Verfügung, das einen erweiterten Betriebsbereich bietet. Laut Wright konnten die bisher zugelassenen Hochtemperaturmaterialien nicht oberhalb von etwa 750 °C verwendet werden.

„Unser neu qualifiziertes Material kann in Design und Konstruktion bis zu 950 °C eingesetzt werden. Dadurch könnte es neue Konzepte für höhere Temperaturen ermöglichen.“ er sagte.

Recherchiert und geschrieben von World Nuclear News

WNN ist ein öffentlicher Informationsdienst der World Nuclear Association