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Erklärende Vorbemerkungen
Die Metallurgie des Stahls ist komplex.
- Schmelzen des Stahls im Elektroofen bei ca. 1600 °C im Vakuum. Gase und Flüssigkeiten mit einem Siedepunkt unter 1600 °C im Vakuum werden bei diesem Prozess aus der Schmelze entfernt.
- Beruhigung der Stahlschmelze durch Zugabe von Aluminium.
Aluminium reagiert in der Schmelze direkt bei der Zugabe mit dem noch vorhandenen Restsauerstoff und bindet diesen als Aluminiumoxid (Al2O3) mit einem Schmelzpunkt von über 2000 °C. Das Aluminiumoxid bildet kleine Kristalle (ca. 5 μm), die sich ab diesem Zeitpunkt nicht mehr verändern. Ab diesem Zeitpunkt befindet sich kein freier, gelöster oder gasförmiger Sauerstoff mehr in der Schmelze.
Der Stahl wird in eine zylindrische Form gegossen und erstarrt zu einem soliden Block. Durch physikalische Prozesse gruppieren sich die einzelnen Al2O3-Kristalle zu kleinen losen Agglomeraten. Diese werden entweder zur Schlacke des Gussblocks aufgeschwemmt oder durch schwerere Stahlkristalle am Boden des Gussblockes abgelagert, wo sie in Stahl erstarren, sich aber nicht mit diesem verbinden. Ober- und Unterseite sowie der Mittelteil des Gussblockes werden abgeschnitten. Bei diesem Prozess können einzelne Verbunde von Al2O3-Kristallen im finalen Rohling verbleiben.
Der Block wird geschmiedet und maschinell bearbeitet. Nach dem Schmieden findet eine zusätzliche Entgasung des Schmiedestückes statt, um den beim Phasenübergang freiwerdenden Wasserstoff aus dem Schmiedestück auszutreiben. Dieser Schritt ist notwendig, um einer Wasserstoffschädigung vorzubeugen. Dabei diffundiert der elementare Wasserstoff aufgrund des Druckgradienten aus dem Stahl zur Ofenumgebung. Die Entgasung ist am schnellsten bei einer möglichst hohen Temperatur mit genügendem Abstand zur Umwandlungstemperatur, also bei ca. 650 °C. Die Haltezeit ist entscheidend für die Qualität der Entgasung. Nach diesem Prozess besteht keine Gefahr von Wasserstoffschädigung im Stahl.
Das Spannungsarmglühen wird bei Stahl meist in einem Temperaturbereich von 550 bis 650 °C durchgeführt, wobei der Werkstoff den Spannungen entsprechend plastisch zu fliessen beginnt. Anschliessend wird der Stahl zum Abbau innerer Spannungen ohne wesentliche Änderung der vorliegenden Eigenschaften langsam abgekühlt.
Die Spannungen werden nicht vollständig abgebaut (daher die Bezeichnung Spannungsarmglühen). Durch das Glühen werden die Streckgrenze und die maximale Zugfestigkeit temporär (d. h. für die Dauer der Erwärmung) herabgesetzt, was den Werkstoff entsprechend den Spannungen zu plastischem Fliessen zwingt. Zurück bleiben Spannungen bis zur Grösse der Streckgrenze bei Glühtemperatur.
Materialprüfungen wurden je nach den zu testenden Parametern in einem Temperaturbereich zwischen – 196 °C und 300 °C durchgeführt.
Die Temperaturen wurden gemäss den Vorgaben von Regelwerken und den jeweiligen Prüfanforderungen bestimmt.
Die Al2O3-Einschlüsse
Im fertig bearbeiteten RDB-Material liegen die einzelnen Al2O3-Kristalle unverändert in der Schmelze vor. Lediglich die räumliche Anordnung und die Form der losen Agglomerate haben sich durch die Umformkräfte beim Schmieden verändert. Zwischen den einzelnen Al2O3-Kristallen und dem Stahl besteht keine Verbindung.
Die Einschlüsse sind durch den Vakuumguss, die Entfernung des Sauerstoffs durch Aluminium und die Entgasung von Wasserstoff frei von Gaseinschlüssen. Im Betrieb wird der Reaktor mit einer vorgegebenen Aufheizrate kontrolliert von der Umgebungstemperatur auf Betriebstemperatur aufgewärmt.
Im Betrieb selber wird der Reaktor mit 280 °C warmen Wasser gespeist. Beim Durchlauf durch den Reaktor erwärmt sich das Wasser auf maximal 315 °C. Der Temperaturverlauf und die Auswirkung auf die Ermüdung des Druckbehälters wird über die Transienten-Buchhaltung dokumentiert.
Fragen:
1. Gibt es ein Temperaturverlaufsprofil für den Reaktordruckbehälter aufgrund dessen das durch Temperaturänderungen induzierte „pulsierende“ Verhalten der Einschlüsse ermittelt werden könnte?
Der Temperaturverlauf des Reaktordruckbehälters (RDB) wird laufend erfasst und ist jederzeit abrufbar. Die Temperatur des Reaktors im Betrieb ist grundsätzlich stabil. Auftretende Temperaturschwankungen werden über die Transienten-Buchhaltung protokolliert und ausgewertet. Die Ermüdungsüberwachung ist ein wesentlicher Bestandteil der Alterungsüberwachung der Anlage.
Die Al2O3-Einschlüsse sind im Betriebstemperaturfenster von 25 °C – 315 °C stabil und zeigen keine Veränderung, insbesondere keine «pulsierende», die über eine übliche Wärmeausdehnung hinausgeht.
2. Trifft es zu, dass durch die Reaktorerhitzung der sich gegenüber Aluminiumoxyd stärker ausdehnende Stahl die Aluminiumoxyd-Einschlüsse und vor allem das Restgas unter erheblichen Druck setzt?
Der Stahl wurde in der abschliessenden Wärmebehandlung bei 650 °C geglüht und kontrolliert auf Raumtemperatur abgekühlt. Dadurch wurden die inneren Spannungen aus der Herstellung nahezu beseitigt. Der Stahl ist nach dieser Behandlung spannungsarm. Die aufgrund der unterschiedlichen Wärmeausdehnungkoeffizienten durch die Aufwärmung des Stahls von Raumtemperatur auf Betriebstemperatur von 315 °C verursachten Spannungen sind im Vergleich dazu vernachlässigbar und liegen im elastischen Bereich. Eine plastische, bleibende Deformation ist ausgeschlossen.
Nach dem Vakuumguss, der Beruhigung (Entfernung des Sauerstoffs) mit Aluminium und der Wasserstoffentgasung nach dem Schmieden sind keine relevanten Mengen «Restgas» in den Einschlüssen vorhanden. Das Risiko einer Schädigung durch Restgase, insbesondere Wasserstoff, wurde dadurch eliminiert.
Zusatz: Sollte trotzdem noch «Restgas» nach der Wärmebehandlung bei 650 °C vorhanden sein, würde dessen Druck entsprechend bei einer Abkühlung auf die Betriebstemperatur von 25 ° – 315 °C sinken, sodass die durch die Wärmeausdehnung des «Restgases» verursachten Spannungen vernachlässigbar sind und nur im elastischen Bereich des Stahls liegen könnten. Eine bleibende, plastische Deformation des Stahls ist ausgeschlossen.
3. Kann bei der nachfolgenden Abkühlung davon ausgegangen werden, dass die Einschlüsse wieder in den Ausgangszustand zurückkehren oder sind Formveränderungen möglich?
Der Stahl wurde bei 650 °C spannungsarm geglüht. Im Betriebstemperaturbereich von 25 °C – 315 °C findet daher keine plastische Verformung, weder der Einschlüsse noch der Stahlmatrix, durch Temperaturveränderungen statt. Die durch Temperaturänderungen auftretenden Spannungen können daher nur im elastischen Bereich liegen. Eine Formänderung im Betrieb durch Temperaturwechsel ist daher ausgeschlossen.
4. Sind innerhalb der Einschlüsse Phasenübergänge bei Aluminiumoxyd von kristallin zu amorph, bei Gas von gasförmig zu flüssig oder umgekehrt möglich?
Bei der Reaktion zwischen Aluminium und Sauerstoff in der Stahlschmelze entstehen Al2O3-Kristalle. Die kristalline Struktur stellt die stabile Teilchenanordnung im festen Zustand dar, amorphe Anordnungen sind stets instabil bzw. metastabil. Findet im festen Zustand nachträglich eine Strukturänderung «ungeordnet/geordnet» statt, dann immer von amorph nach kristallin und nie umgekehrt. Umgekehrt wäre dies nur mit erheblichem Energieaufwand in der Nähe der Schmelztemperatur der Al2O3-Kristalle von ca. 2000 °C denkbar. Im Betriebstemperaturbereich von 25 °C – 315 °C finden daher keine Phasenübergänge kristallin zu amorph an den Al2O3-Kristallen im RDB-Stahl statt.
Der Stahl wurde bei ca. 1600 °C unter Vakuum gegossen, ist aluminiumberuhigt und wasserstoffentgast. Ein Gas, das einen Phasenübergang von flüssig zu gasförmig im Betriebstemperaturbereich von 25 °C – 315 °C hätte, wäre spätestens bei der Schmelztemperatur von 1600 °C im Vakuum ausgedampft.
5. Die radioaktive Bestrahlung führt bei Stahl zu kristallinen Verformungen, welche zu zunehmender Versprödung führen. Ist bekannt, ob dies auch bei Aluminiumoxyd der Fall ist?
Al2O3-Einschlüsse zeigen unter Betriebsbedingungen im RDB keine Strahlenversprödung und keine Quellung, die zu relevanten Spannungen in der umgebenden Matrix führen könnte. Al2O3-Einschlüsse sind nicht anfällig für die Alterung durch Bestrahlung unter Betriebsbedingungen.
Die am Paul Scherrer Institut PSI durchgeführten Messungen an der Stahlmatrix im unmittelbaren Bereich der Al2O3 an bestrahlten, im RDB eingelagerten Originalproben aus dem RDB-Material zeigten keinen Unterschied im Vergleich zur Stahlmatrix ohne Al2O3-Einschlüsse.