Сосуды под давлением реактор

A реактор давления , иногда называют трубкой высокого давлени, или герметизированной трубкой, представляет собой химический реактор который может проводить реакцию под давлением. Реактор высокого давления – это особая сфера применения сосуда высокого давления . Давление может быть вызвано самой реакцией или внешним источником, например водородом при каталитическом переносе гидрирование .

Преимущества

Реактор высокого давления может иметь несколько преимуществ перед обычная колба с круглым дном . Во-первых, он может проводить реакцию выше точки кипения растворителя . Во-вторых, давление может уменьшить реакционный объем, включая жидкую фазу, и, в свою очередь, увеличить концентрацию и частоту столкновений , и ускорить реакцию.

Повышение температуры может ускорить желаемую реакцию, но также ускорить разложение реагентов и исходных материалов . Однако давление может ускорить желаемую реакцию и влияет на разложение только тогда, когда оно включает в себя выделение газа или реакцию с газом в сосуде. Когда желаемая реакция ускоряется, конкурирующие реакции сводятся к минимуму. Давление обычно способствует более быстрой реакции с более чистыми профилями реакции.

Вышеупомянутые преимущества реактора под давлением были показаны в микроволновой химии . Например, если Suzuki Coupling требуется 8 часов при 80 ° C, то в микроволновом синтезаторе требуется всего 8 минут при 140 ° C. Микроволновый эффект – дискуссионная тема. Более поздние эксперименты показывают, что некоторые из этих ранних отчетов являются артефактами, а увеличение скорости происходит строго из-за тепловых эффектов.

Если реактор высокого давления спроектирован правильно, он может соответствовать 4 из 12 зеленой химии принципы

• 1, меньшее количество растворителя и более чистый профиль реакции приводят к меньшему количеству отходов
• 5, требуется меньше растворителя
• 6, короткое время реакции может сэкономить до 92 процентов электроэнергии и 200 галлонов охлаждающая вода для реакции кипячения с обратным холодильником
• 12, закрытый сосуд может предотвратить выброс токсичного газа и взрывы.

Типы реакторов под давлением

Стандартный стеклянный реактор под давлением

Стандартный стеклянный реактор под давлением

Стеклянные реакторы под давлением обычно используются, когда оператору необходимо наблюдать за протеканием реакции. Хотя номинальное давление в этих системах ниже, чем у большинства металлических реакторов под давлением, они по-прежнему являются эффективной установкой для достижения ответственных пределов давления. Оценки на стеклянных сосудах напрямую связаны с диаметром сосуда. Чем больше диаметр, тем ниже допустимое давление. Встроенные донные клапаны также могут влиять на номинальное давление. Нижний клапан на стеклянном сосуде обычно связан с более низким допустимым рабочим давлением. Все это переменные, определяемые процессом и параметрами каждой отдельной реакции. Стеклянные сосуды под давлением также могут использоваться в инертных приложениях. Эти сосуды используются в реакциях, включая гидрирование, полимеризацию, синтез, каталитическую, нефтехимическую, кристаллизацию и т. Д., Но не ограничиваются ими.

Одним из недостатков стандартного стеклянного реактора под давлением является возможность взрыва из-за трудно прогнозируемого чрезмерного внутреннего давления и отсутствия механизма сброса. Однако при надлежащем обеспечении безопасности, обеспечиваемом производителем, оператор может безопасно выполнять большинство реакций.

Трубка Фишера-Портера

A Трубка Фишера-Портера или сосуд Фишера-Портера представляет собой стеклянный реактор под давлением, используемый в химической лаборатории. Производится компанией Andrews Glass Co. из Вайнленда, штат Нью-Джерси.

Реактор высокого давления

Металлический реактор под давлением

Металлические реакторы под давлением обычно используются для реакций высокого давления. У них гораздо более высокое номинальное давление, чем у стеклянных реакторов. Хотя у них более высокое номинальное давление, у них все же есть свои явные недостатки. Один из них – металлические сосуды более подвержены коррозии. Материал конструкции (МОС) особенно важен на этапе проектирования металлического реактора под давлением. Правильный MOC может уменьшить или даже устранить коррозию, наблюдаемую в резервуаре, но, в зависимости от выбранного материала, может увеличить стоимость системы. Металлические сосуды также намного тяжелее, и с ними следует обращаться осторожно при проведении технического обслуживания.

Металлические реакторы высокого давления используются в реакциях, включая, но не ограничиваясь, гидрирование, полимеризацию, синтез, каталитический, нефтехимический и так далее. Они также используются для выполнения таких исследований, как разведка, биомасса, биополимер, цеолит и т. Д.

Недостатками металлического реактора высокого давления (бомбы) являются установка, обслуживание и коррозионная активность.

СВЧ-синтезатор

Недостатками СВЧ-синтезатора является ограничение растворителя

См. Также

Приготовление под давлением

Емкость под давлением

Ссылки

Источник

Компонент атомной электростанции

A корпус высокого давления (КРД) на АЭС – это корпус высокого давления , содержащий теплоноситель ядерного реактора , кожух активной зоны и активная зона реактора .

Классификация ядерных энергетических реакторов

Советская эпоха Реакторы РБМК имеют каждую тепловыделяющую сборку, заключенную в отдельная труба диаметром 8 см вместо сосуда высокого давления. Хотя у большинства энергетических реакторов действительно есть сосуд высокого давления, они обычно классифицируются по типу теплоносителя, а не по конфигурации резервуара, используемого для хранения теплоносителя. Классификации следующие:

• Легководный реактор – включает реактор с водой под давлением и реактор с кипящей водой . Большинство ядерных энергетических реакторов относятся к этому типу.
• Реактор с графитовым замедлителем – включает реактор Чернобыль (РБМК ), который имеет очень необычную конфигурацию реактора по сравнению с реактором подавляющее большинство атомных электростанций в России и во всем мире.
• Тепловой реактор с газовым охлаждением – включает усовершенствованный реактор с газовым охлаждением , реактор на быстрых нейтронах с газовым охлаждением и высокотемпературный реактор с газовым охлаждением . Примером реактора с газовым охлаждением является британский Magnox .
• реактор с тяжелой водой под давлением , в котором некоторым образом используется тяжелая вода или вода с более высокой, чем обычно, долей изотопа водорода дейтерия. Однако D 2 O (тяжелая вода) более дорогой и может использоваться в качестве основного компонента, но не обязательно в качестве охлаждающей жидкости в этом случае. Примером тяжеловодного реактора является канадский реактор CANDU .
• Реактор с жидкометаллическим охлаждением – использует жидкий металл, такой как натрий или свинец – сплав висмута для охлаждения активной зоны реактора.
• Реактор с расплавом солей – используются соли, обычно фториды щелочных и щелочноземельных металлов как охлаждающая жидкость. Работа аналогична реакторам с металлическим охлаждением, с высокими температурами и низкими давлениями, что снижает давление, оказываемое на корпус реактора, по сравнению с конструкциями с водяным или паровым охлаждением.

Из основных классов реакторов с корпусом высокого давления реактор с водой под давлением является уникальным. в том, что сосуд высокого давления подвергается значительному нейтронному облучению (так называемый флюенс ) во время работы и в результате со временем может стать хрупким. В частности, более крупный корпус реактора с кипящей водой лучше защищен от нейтронного потока, поэтому, хотя его производство дороже в первую очередь из-за этого дополнительного размера, оно имеет то преимущество, что не требует отжига чтобы продлить его жизнь.

Отжиг корпусов реакторов с водой под давлением для продления их срока службы – сложная и дорогостоящая технология, активно разрабатываемая как поставщиками ядерных услуг (AREVA ), так и операторами реакторов с водой под давлением.

Компоненты корпуса высокого давления реактора с водой под давлением

Все корпуса высокого давления реактора с водой под давлением имеют общие черты независимо от конкретной конструкции .

Корпус корпуса реактора

Корпус корпуса реактора является самым большим компонентом и предназначен для размещения тепловыделяющей сборки, теплоносителя и фитингов для поддержки потока теплоносителя и опорных конструкций. Обычно он имеет цилиндрическую форму и открыт в верхней части для загрузки топлива.

Головка корпуса реактора

Эта конструкция прикреплена к верхней части корпуса реактора. Он содержит отверстия, позволяющие приводному механизму управляющих стержней прикрепляться к управляющим стержням в топливной сборке. Зонд для измерения уровня теплоносителя также входит в емкость через верхнюю часть корпуса реактора.

Топливная сборка

Топливная сборка ядерного топлива, обычно состоящая из урана или уран-плутониевых смесей. Обычно это прямоугольный блок твэлов с сеткой.

Отражатель или поглотитель нейтронов

Защита внутренней части корпуса от быстрых нейтронов, вылетающих из ТВС, представляет собой цилиндрический экран, обернутый вокруг ТВС. Отражатели отправляют нейтроны обратно в топливную сборку, чтобы лучше использовать топливо. Однако основная цель – защитить сосуд от повреждений, вызванных быстрыми нейтронами, которые могут сделать сосуд хрупким и сократить срок его службы.

Материалы для корпусов реакторов под давлением

Корпус реактора играет важную роль в безопасности реактора PWR, и используемые материалы должны быть в состоянии удерживать активную зону реактора при повышенных температурах и давлениях. Материалы, используемые в цилиндрической оболочке сосудов, со временем эволюционировали, но в основном они состоят из низколегированных ферритных сталей, плакированных 3-10 мм аустенитной нержавеющей стали . Облицовка из нержавеющей стали в основном используется в местах, контактирующих с охлаждающей жидкостью, чтобы минимизировать коррозию. До середины 1960 г. в корпусе судна использовалась пластинчатая молибден-магниевая сталь марки B SA-302. Поскольку для изменения конструкции требовались сосуды высокого давления большего размера, для увеличения предела текучести потребовалось добавление никеля в этот сплав в количестве примерно 0,4-0,7 мас.%. Другие распространенные стальные сплавы включают SA-533 класса B класса 1 и SA-508 класса 2. Оба материала содержат основные легирующие элементы никель, марганец, молибден и кремний, но последний также включает 0,25-0,45 мас.% Хрома. Все сплавы, перечисленные в ссылке, также содержат>0,04 мас.% Серы. Низколегированные ферритные стали NiMoMn привлекательны для этой цели из-за их высокой теплопроводности и низкого теплового расширения, свойств, которые делают их устойчивыми к тепловым ударам. Однако, рассматривая свойства этих сталей, необходимо принимать во внимание реакцию, которую они должны будут иметь на радиационное повреждение. Из-за суровых условий материал оболочки цилиндра корпуса реактора часто является компонентом, ограничивающим срок службы ядерного реактора. Понимание влияния излучения на микроструктуру в дополнение к физическим и механическим свойствам позволит ученым создавать сплавы, более устойчивые к радиационным повреждениям.

В 2018 году Росатом объявил, что разработал метод термического отжига для корпусов реакторов, который снижает радиационные повреждения и продлевает срок службы от 15 до 30 лет. Это было продемонстрировано на блоке 1 Балаковской атомной электростанции .

Радиационные повреждения металлов и сплавов

Из-за характера производства ядерной энергии материалы, используемые в корпусе реактора, постоянно подвергаются бомбардировке. частицы высоких энергий. Эти частицы могут быть нейтронами или фрагментами атома, образованными в результате деления. Когда одна из этих частиц сталкивается с атомом в материале, она передает часть своей кинетической энергии и выбивает атом из его положения в решетке. Когда это происходит, этот первичный “ударный” атом (PKA), который был смещен, и энергичная частица может отскочить и столкнуться с другими атомами в решетке. Это создает цепную реакцию, которая может привести к смещению многих атомов из их исходных положений. Это атомное движение приводит к созданию многих типов дефектов. Накопление различных дефектов может вызвать микроструктурные изменения, которые могут привести к ухудшению макроскопических свойств. Как уже упоминалось ранее, цепная реакция, вызванная PKA, часто оставляет на краю след вакансий и скоплений дефектов. Это называется каскадом смещения . Богатое вакансиями ядро ​​каскада смещений также может коллапсировать в дислокационные петли. Из-за облучения в материалах обычно образуется более высокая концентрация дефектов, чем в обычных сталях, а высокие рабочие температуры вызывают миграцию дефектов. Это может вызвать такие вещи, как рекомбинация междоузлий и вакансий и кластеризация подобных дефектов, которые могут либо создавать, либо растворять выделения или пустоты. Примерами раковин или термодинамически благоприятных мест для миграции дефектов являются границы зерен, пустоты, некогерентные выделения и дислокации.

Радиационно-индуцированная сегрегация

Взаимодействие между дефектами и легирующими элементами может вызвать перераспределение атомов на стоках, таких как границы зерен. Физический эффект, который может произойти, заключается в том, что определенные элементы будут обогащаться или обедняться в этих областях, что часто приводит к охрупчиванию границ зерен или другим пагубным изменениям свойств. Это связано с тем, что существует поток вакансий в сторону стока и поток атомов в сторону или в сторону стока, которые могут иметь различные коэффициенты диффузии. Неравномерная скорость диффузии вызывает концентрацию атомов, которая не обязательно будет иметь правильные пропорции сплава. Сообщалось, что никель, медь и кремний имеют тенденцию к обогащению в стоках, тогда как хром имеет тенденцию к обеднению. Результирующий физический эффект заключается в изменении химического состава на границах зерен или вокруг пустот / некогерентных выделений, которые также служат стоками.

Образование пустот и пузырьков

Пустоты образуются из-за кластеризации вакансий и обычно образуются легче при более высоких температурах. Пузырьки – это просто пустоты, заполненные газом; они произойдут, если присутствуют реакции трансмутации, то есть газ образуется из-за разрушения атома, вызванного бомбардировкой нейтронами. Самая большая проблема с пустотами и пузырями – нестабильность размеров. Примером того, где это было бы очень проблематично, являются участки с жесткими допусками по размерам, такие как резьба на застежке.

Упрочнение облучением

Создание дефектов, таких как пустоты или пузыри, выделения, петли или линии дислокаций, а также скопления дефектов может упрочнить материал, поскольку они блокируют движение дислокаций. Движение дислокаций приводит к пластической деформации. Хотя это приводит к затвердеванию материала, обратная сторона заключается в потере пластичности. Потеря пластичности или увеличение хрупкости опасны для корпусов реакторов корпуса, поскольку это может привести к катастрофическому отказу без предупреждения. При разрушении пластичных материалов перед разрушением происходит существенная деформация, которую можно контролировать. Хрупкие материалы будут трескаться и взрываться под давлением без особой предварительной деформации, поэтому инженеры мало что могут сделать, чтобы определить, когда материал вот-вот разрушится. Медь является особенно опасным элементом сталей, который может привести к закалке или охрупчиванию. Осадки, богатые медью, очень маленькие (1-3 нм), поэтому они эффективны при закреплении дислокаций. Было признано, что медь является основным вредным элементом в сталях, используемых для корпусов реакторов, особенно если уровень примесей превышает 0,1 мас.%. Таким образом, разработка «чистых» сталей или сталей с очень низким уровнем примесей важна для снижения радиационного упрочнения.

Ползучесть

Ползучесть возникает, когда материал находится под уровнем напряжения ниже своего предела текучести, что со временем вызывает пластическую деформацию. Это особенно распространено, когда материал подвергается высоким напряжениям при повышенных температурах, потому что диффузия и движение дислокаций происходят быстрее. Облучение может вызвать ползучесть из-за взаимодействия между напряжением и развитием микроструктуры. В этом случае увеличение диффузии из-за высоких температур не является очень сильным фактором, вызывающим ползучесть. Размеры материала могут увеличиваться в направлении приложенного напряжения из-за создания дислокационных петель вокруг дефектов, образовавшихся в результате радиационного повреждения. Кроме того, приложенное напряжение может позволить интерстициальным элементам легче абсорбироваться в дислокации, что способствует подъему дислокации. Когда дислокации могут подниматься вверх, остаются лишние вакансии, что также может привести к набуханию.

Коррозионное растрескивание под действием облучения

Из-за охрупчивания границ зерен или других дефектов, которые могут служить Инициаторы трещин, добавление радиационного воздействия на трещины может вызвать межкристаллитное коррозионное растрескивание под напряжением. Основным фактором стресса окружающей среды, который образуется из-за излучения, является водородное охрупчивание вершин трещин. Ионы водорода образуются, когда радиация расщепляет молекулы воды, которые присутствуют, поскольку вода является хладагентом в PWR, на OH и H. Существует несколько предполагаемых механизмов, объясняющих водородное охрупчивание, три из которых – механизм декогезии, теория давления и метод водородной атаки. В механизме декогезии считается, что накопление ионов водорода снижает прочность связи металл-металл, что облегчает расщепление атомов. Теория давления – это идея, что водород может выделяться в виде газа на внутренних дефектах и ​​создавать пузырьки внутри материала. Напряжение, вызванное расширяющимся пузырем в дополнение к приложенному напряжению, снижает общее напряжение, необходимое для разрушения материала. Метод водородной атаки похож на теорию давления, но в этом случае предполагается, что водород реагирует с углеродом в стали с образованием метана, который затем образует пузыри и пузыри на поверхности. В этом случае добавленное напряжение пузырьков усиливается обезуглероживанием стали, что ослабляет металл. Помимо водородного охрупчивания, ползучесть, вызванная излучением, может вызвать скольжение границ зерен друг относительно друга. Это еще больше дестабилизирует границы зерен, облегчая распространение трещины по всей длине.

Разработка радиационно-стойких материалов для корпусов реакторов под давлением

Для очень агрессивных сред требуются новые подходы к материалам. для борьбы со снижением механических свойств с течением времени. Один из методов, который пытались использовать исследователи, – это введение функций для стабилизации смещенных атомов. Это может быть сделано путем добавления границ зерен, растворенных веществ слишком большого размера или небольших оксидных диспергаторов, чтобы минимизировать перемещение дефектов. При этом будет меньше радиационно-индуцированной сегрегации элементов, что, в свою очередь, приведет к более пластичным границам зерен и меньшему межкристаллитному коррозионному растрескиванию под напряжением. Блокирование дислокации и движения дефекта также помогло бы повысить сопротивление ползучести при помощи излучения. Сообщалось о попытках введения оксидов иттрия, чтобы блокировать движение дислокаций, но было обнаружено, что технологическая реализация представляет большую проблему, чем ожидалось. Необходимы дальнейшие исследования для повышения стойкости к радиационным повреждениям конструкционных материалов, используемых на атомных электростанциях.

Производители

Из-за экстремальных требований, необходимых для создания больших современных корпусов реакторов под давлением, и ограниченного рынка, по состоянию на январь 2020 г. горстка мировых производителей, включая:

• китайскую First Heavy Industries , Erzhong Group, Harbin Electric и Shanghai Electric .
• французскую Framatome – Завод Ле Крезо .
• Японский металлургический завод .
• Россия United Heavy Machinery (ОМЗ-Ижора), ЗиО-Подольск и АЭМ-Атоммаш Волгодонск .
• Южная Корея Doosan Group .

См. Также

• Ядерная физика
• Ядерный реактор
• Физика ядерного реактора
• Корпуса ядерных реакторов
• Радиационные повреждения

Ссылки

Источник