紧凑型核反应堆的普及需要安全可靠的紧凑型热交换器，这些组件必须耐受高温高压环境。由威斯康星大学麦迪逊分校工程师领导的多机构研究团队，近期开发出一种评估扩散焊的新方法，为制造商、监管机构和供应商提供了独特的手段来检测热交换器材料结合的强度。

印刷电路热交换器通过扩散焊工艺制造，涉及堆叠带槽金属板并施加热和压力将其熔合。这一过程能形成包含狭窄通道网络的单一部件，以实现高效传热并承受高压高温。

“扩散焊过程有点像把两块巧克力棒叠压在一起，直到它们融合成一块，”威斯康星大学麦迪逊分校机械工程教授马克·安德森说。“我们的目标是实现层间尽可能强的结合。”

长时间的高温高压可能削弱焊缝，影响热交换器性能并带来安全风险。评估扩散焊结合强度的挑战在于缺乏可靠标准方法。为应对这一问题，研究人员研究了两种已获准用于高温核应用的材料：不锈钢316H和合金617。

“我们知道这些材料在高温下表现良好，但仍需证明扩散焊能创建足够强的结合，其中界面晶粒生长足以在高温高压下保持，”威斯康星大学麦迪逊分校机械工程科学家伊恩·詹茨说。

团队与威斯康星州拉克罗斯的制造商CompRex合作，使用这些材料制作扩散焊样本，切开样本暴露结合界面，并用显微镜检查晶粒生长程度。结合过程中，跨界面生长的微结构晶粒越多，结合越强。

手动计数和测量晶粒繁琐，因此研究人员与MIPAR公司和电力研究所（EPRI）合作，开发定制工具，利用自动图像分析软件检测和评估样本图像中的晶粒。该工具计算焊缝中跨界面晶粒生长的总百分比，为结合强度提供标准化指标，这对制定扩散焊部件的ASME规范案例至关重要。

“我们的工具将有助于增加对紧凑型热交换器的信心，为这项技术获得核反应堆使用认证铺平道路，”安德森说。未来规范案例可能规定结合中界面晶粒生长的最低百分比要求，以允许部件用于高温锅炉和压力容器应用。

“我们的新工具和方法确保制造商在每次生产商业规模紧凑型热交换器时都能信任每个结合的完整性，”安德森补充道。“这项研究为反应堆公司和全球发电的未来带来了实际而持久的益处。”研究合作者包括伊恩·詹茨、研究生卢卡斯·德索西和电力研究所的安德烈亚·博林格。