能源部轻水反应堆可持续性计划(LWRS)的科学家和电力研究所(EPRI)的合作伙伴已经开展了第一次焊接测试，以修复美国能源部橡树岭国家实验室的高辐射材料。
焊接系统设计并安装在ORNL放射化学工程开发中心的热室中，安全地封闭了用于激光和摩擦搅拌焊接的设备。它将使研究人员能够通过开发加工条件和评估焊后材料特性来推进焊接技术的修复。
随着核电站的老化，已经辐照几十年的材料可能需要维修或更换。在美国核电厂的延长使用寿命期间，将需要先进的焊接技术; 大多数建筑始于20世纪70年代。这些工厂产生了约20%的国家电力。
“辐射材料先进技术的示范是验证焊缝修复作为延长部件寿命和降低核工业成本的缓解策略的关键步骤，”ORNL的材料老化和退化途径研究负责人Keith Leonard说。对于LWRS。
缓解策略侧重于经济有效的维修或更换 - 可能需要焊接。在反应器的延长操作期间，通过与来自反应堆堆芯的中子反应，硼杂质的嬗变产生氦气。此外，镍(结构合金中常见的合金元素)也会产生氦气，但是通过较慢的两步法。氦气的产生取决于材料及其在反应堆中的位置，但对于超过60个有效全功率年份的反应堆，核心部件中的氦气产生量可超过百万分之5到10个原子 - 传统焊接技术无法用于充分修复组件。
热量和应力驱使氦气在不锈钢中聚结，沿着“晶粒”或微米级有序区域之间的边界形成气泡，从而削弱材料。当金属熔化并再凝固时，新凝固的材料与周围材料之间的膨胀和收缩的差异会沿着弱化的含氦气泡的晶界产生拉伸应力，从而引起裂缝。“这是我们在焊接辐照材料时面临的最大问题，”伦纳德说。ORNL-EPRI系统采用先进技术，比传统焊接引入更少的应力，从而减少开裂。
“我们计划中开发的两种修复焊接技术都经过精心设计，可以”主动“管理焊接过程中的应力，因此它们可能为修复具有高氦含量的[内部]反应堆组件提供解决方案 - 今天的焊接修复技术无法实现，”Feng说。“随着反应堆继续老化(并继续产生氦气)，工业越来越需要技术来处理高氦水平的情景。”
初步观察表明，这两种技术都可以产生高质量的焊缝。
“焊接热室确实建立了ORNL作为开发商业核能发电新技术和新技术的中心，”伦纳德说。除了实验室在焊接和材料表征方面的专业知识外，ORNL的优势还包括附近的各种设施，如其他热室和低活化材料开发和分析实验室，以支持焊后材料表征，以及HFIR生成测试材料和更长的年龄焊接材料。
接下来，研究人员将探索具有更高氦含量的焊接材料，并在焊接后对辐照材料进行表征，包括显微结构分析和机械性能评估等技术。他们还将对经过焊接修复的HFIR中的材料进行重新老化，以了解进一步老化对焊缝的影响。
LWRS计划进行研究和开发，以提高我国核机队的安全，高效和经济性能，并延长使用寿命。EPRI是一个独立的非营利组织，开展研究，支持安全，可靠，具有成本效益和环保的核电使用作为发电选择。EPRI正在开发工具，将该技术部署到核电站进行现场维修。一旦联合专利向ORNL和EPRI发出，公司就可以授权该技术进行现场维修。
EPRI项目经理格雷戈里弗雷德里克说：“EPRI广泛与公司和大学的研究人员合作，这个案例是政府实验室，以应对电力方面的挑战，包括可靠性，效率，可负担性，健康，安全和环境。” “我们进行了相当大的投资，因为我们看到了提供行业所需的新知识的价值。橡树岭国家实验室提供的专业和设施无处不在。”
该项目的研发支持来自美国能源部核能办公室的LWRS计划，EPRI的长期运营计划和ORNL。DOE和EPRI分担了开发，设计，制造，设备和测试成本以及ORNL支持的安装相关成本。工业可以通过能源部核能办公室资助机会或ORNL合作机制获得这种能力。