Распространение компактных ядерных реакторов требует безопасных и надежных компактных теплообменников, которые должны выдерживать условия высоких температур и давления. Межведомственная исследовательская группа под руководством инженеров из Университета Висконсин-Мэдисон недавно разработала новый метод оценки диффузионной сварки, предоставив производителям, регулирующим органам и поставщикам уникальный инструмент для проверки прочности соединения материалов теплообменников.
Печатные платы теплообменников изготавливаются с помощью процесса диффузионной сварки, который включает укладку металлических пластин с канавками и применение тепла и давления для их сплавления. Этот процесс позволяет создать единый компонент, содержащий сеть узких каналов, для эффективной теплопередачи и устойчивости к высокому давлению и температуре.
«Процесс диффузионной сварки немного похож на то, как если бы вы сложили две шоколадные плитки вместе и сжали их до тех пор, пока они не сольются в одну», — сказал Марк Андерсон, профессор машиностроения в Университете Висконсин-Мэдисон. «Наша цель — достичь максимально прочного соединения между слоями».
Длительное воздействие высоких температур и давления может ослабить сварные швы, повлиять на производительность теплообменника и создать риски для безопасности. Сложность оценки прочности соединения при диффузионной сварке заключается в отсутствии надежного стандартного метода. Чтобы решить эту проблему, исследователи изучили два материала, уже одобренных для применения в высокотемпературных ядерных установках: нержавеющую сталь 316H и сплав 617.
«Мы знаем, что эти материалы хорошо себя ведут при высоких температурах, но нам все еще нужно доказать, что диффузионная сварка может создать достаточно прочное соединение, при котором рост зерен на границе раздела достаточен для сохранения целостности при высоких температурах и давлении», — сказал Иэн Янц, научный сотрудник по машиностроению в Университете Висконсин-Мэдисон.
Команда сотрудничала с производителем CompRex в Ла-Кроссе, штат Висконсин, чтобы изготовить образцы диффузионной сварки из этих материалов, разрезать образцы для обнажения границы раздела соединения и исследовать с помощью микроскопа степень роста зерен. Чем больше микроструктурных зерен вырастает через границу раздела в процессе соединения, тем прочнее соединение.
Поскольку ручной подсчет и измерение зерен утомительны, исследователи сотрудничали с компанией MIPAR и Энергетическим исследовательским институтом (EPRI) для разработки специального инструмента, использующего программное обеспечение для автоматического анализа изображений для обнаружения и оценки зерен на изображениях образцов. Этот инструмент вычисляет общий процент роста зерен через границу раздела в сварном шве, предоставляя стандартизированный показатель прочности соединения, что имеет решающее значение для разработки кейса норм ASME для компонентов, изготовленных методом диффузионной сварки.
«Наш инструмент поможет повысить доверие к компактным теплообменникам, проложив путь к сертификации этой технологии для использования в ядерных реакторах», — сказал Андерсон. Будущий кейс норм может предусматривать минимальные требования к проценту роста зерен через границу раздела в соединении, чтобы разрешить использование компонентов в высокотемпературных котлах и сосудах под давлением.
«Наш новый инструмент и метод гарантируют, что производители могут доверять целостности каждого соединения каждый раз, когда они производят коммерческий компактный теплообменник», — добавил Андерсон. «Это исследование приносит практическую и долгосрочную пользу компаниям-разработчикам реакторов и будущему мировой энергетики». Среди соавторов исследования — Иэн Янц, аспирант Лукас Десоци и Андреа Боллинджер из Энергетического исследовательского института.
