Säteilyhaurastuminen ja sen vaikutus painevesireaktoreiden käyttöiän pidennykseen

Abstract

Energiantarve kasvaa maailmanlaajuisesti vuosi vuodelta. Samalla pyritään vähentämään suuripäästöisten energianlähteiden käyttöä. Uusiutuvat energianlähteet ovat käytössä vasta rajallisesti ja niiden käyttöön liittyy useita rajoitteita, minkä vuoksi on hyödynnettävä vähäpäästöisiä uusiutumattomia energianlähteitä, kuten ydinvoimaa. Uuden ydinvoimalan rakentaminen on kuitenkin hidas ja kallis prosessi, minkä vuoksi olemassa olevia voimaloita halutaan pitää käytössä mahdollisimman pitkään, yhä useammin niiden suunniteltua käyttöikää pidempään. Käyttöiän pidentämiseksi on varmistettava, että reaktoria on turvallista käyttää. Merkittävin tätä rajoittava tekijä on reaktoripainesäiliön säteilyhaurastuminen.

Tämä työ on kirjallisuusselvitys, jonka tavoitteena on selvittää mitä säteilyhaurastuminen on, mitkä mekanismit aiheuttavat sen, kuinka sitä seurataan ydinvoimaloissa ja millaisia haasteita siitä aiheutuu reaktoreiden käyttöiän pidennyksiin. Aihetta on rajoituttu tarkastelemaan länsimaisten painevesireaktoreiden näkökulmasta. Työ on kolmiosainen. Ensimmäisessä osassa esitellään painevesireaktorin rakennetta, materiaaleja ja käyttöolosuhteita. Toinen osa keskittyy säteilyhaurastumiseen ja sen mekanismeihin, erityisesti säteilyvaurioitumiseen, matriisivaurioihin ja säteilyindusoituun erkautumiseen. Kolmannessa osassa esitellään säteilyhaurastumisen seuraamiseen käytettyjä seurantaohjelmia ja niihin liittyviä haasteita käyttöiän pidennykselle.

Työn ensimmäisessä osassa havaittiin tyypillisten materiaalien olevan niukkaseosteisia teräksiä, joiden seosaine- ja epäpuhtauspitoisuuksilla on tarkat vaatimukset. Lisäksi havaittiin säteilyhaurastumiselle alttiiden komponenttien keskittyvän reaktoriydintä ympäröivälle vyöalueelle. säteilyhaurastumisen kannalta relevantin neutronisäteilyannoksen suuruus selvitettiin. Säteilyhaurastumisen havaittiin perustuvan säteilyvauriotapahtumassa muodostuvien pistemäisten kidevirheiden vuorovaikutuksiin seosaineiden ja teräksen mikrorakenteen kanssa. Pistemäiset kidevirheet voivat muodostaa dislokaatioliikettä heikentäviä rykelmiä, eli matriisivaurioita, ja niiden diffundoituminen voi johtaa vastaavan diffuusion indusoitumiseen seosaineissa. Seosaineiden diffundoituminen voi johtaa niiden erkautumiseen. Erkaumat rajoittavat dislokaatioliikettä merkittävästi suuren lukumääränsä vuoksi. Erkautumisen kannalta merkittäviä seosaineita ovat Cu, Mn, Ni ja Si. Cu erkautuu herkästi, minkä vuoksi se on pyritty eliminoimaan reaktoripainesäiliöiden teräksistä. Mn, Ni ja Si muodostavat erkaumia vasta erittäin korkeilla annoksilla, minkä vuoksi niitä kutsutaan myöhään kukkiviksi faaseiksi. Säteilyhaurastumisen seuraaminen tapahtuu seurantakapseleihin perustuvien seurantaohjelmien avulla. Kapselit sisältävät näytteitä reaktoripainesäiliön materiaaleista ja niitä säteilytetään reaktorissa. Näytteet koetetaan tietyillä annoksilla haurastumiskäyttäytymisen vastaavuuden suunnitteluvaiheessa määritetyn kanssa varmistamiseksi. Säteilyhaurastumisen aiheuttamat ongelmat käyttöiän pidennyksessä liittyvät seurantaohjelmiin. Ohjelmat suunniteltiin kattamaan vain alkuperäinen käyttöikä, joten näytteitä on rajallinen määrä. Lisäksi pidennettyä käyttöikää vastaavien annosten vaikutuksesta materiaaliominaisuuksiin on rajallisesti dataa. Mahdollisia ratkaisuja näihin ovat uuden näytemateriaalin valmistus, uusien, vähemmän materiaalia vaativien, koetusmenetelmien käyttö ja seuranta datan yhdistäminen useista reaktoreista korkean annoksen haurastumiskäyttäytymisen karakterisoimiseksi.