Científicos del Programa de Sostenibilidad del Reactor de Agua Ligera del Departamento de Energía LWRS y socios del Instituto de Investigación de Energía Eléctrica EPRI han llevado a cabo las primeras pruebas de soldadura para reparar materiales altamente irradiados en el Laboratorio Nacional Oak Ridge del DOE.
El sistema de soldadura, diseñado e instalado en una celda caliente en el Centro de Desarrollo de Ingeniería Radioquímica de ORNL, encierra de manera segura equipos para soldadura por láser y fricción-agitación. Permitirá a los investigadores avanzar en tecnologías de soldadura para reparar materiales irradiados mediante el desarrollo de condiciones de procesamiento y evaluaciónpropiedades de materiales posteriores a la soldadura.
A medida que las plantas de energía nuclear envejecen, los materiales que han sido irradiados durante varias décadas pueden requerir reparación o reemplazo. Se necesitarán técnicas de soldadura avanzadas durante la vida operativa extendida de las plantas de energía nuclear de Estados Unidos; la construcción de la mayoría comenzó en la década de 1970. Estas plantas generanaproximadamente el 20 por ciento de la electricidad de la nación.
"La demostración de técnicas avanzadas para materiales irradiados es un paso clave para validar la reparación de la soldadura como una estrategia de mitigación para extender la vida útil de los componentes y reducir los costos para la industria nuclear", dijo Keith Leonard de ORNL, quien dirige la investigación en Envejecimiento de materiales yVía de degradación para LWRS.
Las estrategias de mitigación se centran en reparaciones o reemplazos rentables, ya sea que requieran soldadura. Durante la operación prolongada de los reactores, el helio se genera a través de la transmutación de impurezas de boro por reacción con neutrones del núcleo del reactor. Además, el níquel, una aleación comúnelemento en aleaciones estructurales, también generará helio, pero a través de un proceso más lento de dos pasos. La generación de helio depende del material y su ubicación en el reactor, pero para los reactores que exceden 60 años de plena potencia efectiva, la generación de helio en los componentes del núcleo puede exceder5 a 10 partes atómicas por millón: niveles en los que las técnicas de soldadura tradicionales no se pueden usar para reparar adecuadamente los componentes.
El calor y la tensión hacen que el helio se fusione en acero inoxidable, formando burbujas a lo largo de los límites entre "granos" o regiones de orden a escala de micras, que debilitan el material. Cuando el metal se funde y se resuelve, las diferencias en la expansión y contracción entre los nuevosEl material solidificado y el material circundante pueden generar tensiones de tensión a lo largo de los límites de grano debilitados que contienen burbujas de helio, lo que induce grietas. "Ese es el mayor problema que enfrentamos al soldar materiales irradiados", dijo Leonard. El sistema ORNL-EPRI utiliza técnicas avanzadas que introducenmenos estrés que la soldadura convencional, lo que reduce el agrietamiento.
El 17 de noviembre, las primeras pruebas sobre material irradiado se realizaron en ORNL con una técnica de soldadura láser [película en] http://www.youtube.com/watch?v=-noWqJ12vMg ] que utiliza un láser primario para soldar y haces secundarios para reducir las tensiones de tensión cerca de la zona de soldadura se ha presentado una solicitud de patente. Las pruebas se realizaron en muestras, conocidas como "cupones", de acero inoxidable irradiado dopado con 5, 10 y 20 partes de boro por millón de átomos. Los materiales se fabricaron en cupones del tamaño de una tarjeta de juego en ORNL y luego se irradiaron en el High Flux Isotope Reactor, una instalación de usuarios de la Oficina de Ciencia del DOE en ORNL.los cupones para cambiar el boro en helio para simular el envejecimiento que ocurriría en un reactor comercial después de décadas de exposición a la radiación.
el 21 de noviembre se produjo la primera soldadura por fricción-agitación [película en] http://youtu.be/O-YmORuLsug ] de acero inoxidable irradiado en ORNL. A diferencia de la soldadura por arco convencional, que emplea materiales fundidos, la soldadura por fricción es una técnica de mezcla de estado sólido que utiliza una herramienta giratoria para generar fricción y calor que ablanda los materiales pero no los funde ".A nivel microscópico, los átomos de cada pieza de material se acercan mucho y las fuerzas atractivas unen los átomos para formar una sola pieza ", explicó Zhili Feng, quien lidera el Equipo de Unión de Materiales de ORNL. Debido a que la soldadura por fricción se produce por debajo del punto de fusión,evita la formación de grietas en la soldadura de reparación de materiales irradiados y que contienen helio. Una red neuronal artificial monitorea la soldadura por fricción y agitación para detectar condiciones que pueden causar defectos de soldadura.
"Ambas tecnologías de reparación de soldadura desarrolladas en nuestro programa están diseñadas para manejar 'de manera proactiva' las tensiones durante la soldadura, por lo que potencialmente ofrecen soluciones para reparar componentes [internos] del reactor con altos niveles de helio, imposible con la tecnología de reparación de soldadura actual", dijo Feng"A medida que los reactores continúan envejeciendo y se sigue generando helio, la industria necesita cada vez más tecnologías para manejar escenarios de alto nivel de helio".
Las observaciones preliminares mostraron que ambas técnicas produjeron soldaduras de buena calidad.
"La celda caliente de soldadura realmente estableció a ORNL como un centro para desarrollar nuevas técnicas y nuevas tecnologías para la generación comercial de energía nuclear", dijo Leonard. Además de la experiencia de laboratorio en soldadura y caracterización de materiales, las fortalezas de ORNL incluyen diversas instalaciones cercanas, comootras celdas calientes y el Laboratorio de desarrollo y análisis de materiales de baja activación para apoyar la caracterización de materiales posteriores a la soldadura, y HFIR para generar material de prueba y materiales posteriores a la soldadura.
A continuación, los investigadores explorarán materiales de soldadura con mayor contenido de helio y caracterizarán los materiales irradiados después de que hayan sido soldados, con técnicas que incluyen análisis microestructurales y evaluaciones de propiedades mecánicas. También volverán a envejecer material en HFIR que ha sufrido una soldadurarepare para ver cómo el envejecimiento posterior afecta las soldaduras.
El Programa LWRS lleva a cabo investigación y desarrollo para mejorar el desempeño seguro, eficiente y económico de la flota nuclear de nuestra nación y extender la vida operativa. EPRI, una organización independiente y sin fines de lucro, realiza investigaciones que respaldan la seguridad, confiabilidad, rentabilidad y responsabilidad ambiental.uso de la energía nuclear como una opción de generación. EPRI está desarrollando herramientas para desplegar la tecnología en las plantas de energía nuclear para reparaciones en el sitio. Una vez que se emite una patente conjunta a ORNL y EPRI, las compañías podrían licenciar la tecnología para hacer esas reparaciones en el sitio.
"EPRI trabaja ampliamente con investigadores de empresas y universidades, y en este caso, un laboratorio gubernamental, para abordar los desafíos en electricidad, incluida la confiabilidad, la eficiencia, la asequibilidad, la salud, la seguridad y el medio ambiente", dijo Gregory Frederick, gerente del programa EPRI."Hicimos una inversión bastante grande porque vemos el valor de proporcionar el nuevo conocimiento que la industria necesita. Ningún lugar tiene la masa crítica de experiencia e instalaciones que proporciona el Laboratorio Nacional de Oak Ridge".
El apoyo de investigación y desarrollo para este proyecto provino del Programa LWRS de la Oficina de Energía Nuclear del Departamento de Energía de EE. UU., El Programa de Operaciones a Largo Plazo de EPRI y ORNL. DOE y EPRI compartieron los costos para el desarrollo, diseño, fabricación, equipo y costos de prueba, yORNL apoyó los costos relacionados con la instalación. La industria puede obtener acceso a esta capacidad a través de las oportunidades de financiación de la Oficina de Energía Nuclear del DOE o los mecanismos de asociación de ORNL.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Laboratorio Nacional de Oak Ridge . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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