美國工程師推出新檢查方法 促進核反應堆緊湊熱交換器安全性驗證

美國的工程師們近日揭示了一種全新的檢測方法，這可能加速緊湊型熱交換器在先進核反應堆中的應用。這項研發由威斯康星大學麥迪遜分校的研究人員主導，旨在使下一代核反應堆更小、更高效、成本更低。這些緊湊型系統設計用於在極高的溫度和壓力下運行，因此安全驗證成為了廣泛部署前的關鍵障礙。

緊湊型熱交換器被視為先進核系統的支柱技術，能夠有效地在反應堆內部傳遞熱量，提高整體性能。然而，這些部件必須能夠承受高溫並在高壓下長時間運行。其主要擔憂在於交換器材料內部的結合強度。如果這些結合隨時間減弱，系統的效率將下降，安全風險將增加。迄今為止，尚無標準化方法可靠地評估這些內部結合在製造後的強度。

威斯康星大學麥迪遜分校的機械工程教授馬克·安德森表示，我們的工具將有助於增強對緊湊型熱交換器的信心，為這項技術獲得核反應堆使用的認證鋪平道路。打印電路熱交換器是通過擴散焊接製造的，這一過程涉及將薄金屬板堆疊並施加熱量和壓力，將其融合為單一的固體單元。安德森提到，這就像將兩塊巧克力棒堆疊在一起，然後壓緊，直到它們融合為一根巧克力棒。我們的目標是實現層之間最強的結合。

最終結構包含微觀通道，能夠高效地傳遞熱量，同時耐受惡劣的操作環境。然而，隨著時間的推移，對高溫和壓力的暴露可能會削弱這些焊接界面，因此準確的測試至關重要。為了應對這一挑戰，研究團隊專注於兩種已獲得核能使用批准的材料：不銹鋼 316H 和合金 617。這些材料以其在高溫下的強度而著稱，但驗證它們之間焊接質量仍然是一個空白。

威斯康星大學麥迪遜分校的機械工程科學家伊恩·詹茲解釋道，我們知道這些材料在高溫下能表現良好，但我們仍需證明製造方法——擴散焊接——能夠在界面上形成足夠強的結合，並能在高溫和高壓下保持穩定。研究團隊與 CompRex 合作，生產了樣品並在顯微鏡下進行分析，觀察微觀晶粒在焊接界面上的生長情況，這直接表明了結合強度。

為了加速這一過程，研究人員與 MIPAR 和電力研究所合作，開發了自動化圖像分析軟件。這一工具能掃描顯微鏡圖像並計算焊接界面上晶粒生長的百分比。最終結果是一個可測量且可重複的結合質量指標，這對於確立未來行業標準至關重要，包括美國機械工程師學會對高溫壓力系統的指導方針。

通過定義最低可接受的晶粒生長水平，製造商和監管機構可以確保每個組件在部署到反應堆之前都符合嚴格的安全要求。安德森補充道，我們的新工具和方法確保製造商在生產商用規模的緊湊型熱交換器時，每次都能信任每個結合的完整性。這項研究計劃正在為反應堆公司及全球電力生成的未來帶來實質性和持久的好處。