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1 核島用金屬材料概述
不同堆型，其結(jié)構(gòu)和用途雖有所不同，但實(shí)現(xiàn)可控制核裂變反應(yīng)的過(guò)程是相同的，都需要燃料元件、堆內(nèi)構(gòu)件、控制棒、反射層、冷卻劑和慢化劑（快堆除外)以及包容它們的壓力容器或壓力管道等，因而需要各種各樣的材料來(lái)制造相關(guān)部件，以實(shí)現(xiàn)核能向熱能、熱能向電能的安全、高效率的轉(zhuǎn)化。
按照相關(guān)設(shè)備部件服役工況或使用功能的不同，核電設(shè)備可分為核一級(jí)、核二級(jí)、核三級(jí)和非核級(jí)。有核級(jí)要求的設(shè)備，一般即稱其所用材料為核電關(guān)鍵材料。核電常用的關(guān)鍵材料大體可分為碳鋼、不銹鋼和特殊合金，若進(jìn)一步細(xì)分，則有碳(錳)鋼、低合金鋼、不銹鋼、鋯合金、鈦鋁合金和鎳基合金等，按品種則有鑄鍛件、板、管、圓鋼、焊材等等核反應(yīng)堆的發(fā)展，從開(kāi)始就包括了材料的開(kāi)發(fā)與優(yōu)化，材料的發(fā)展很大程度上決定了核反應(yīng)堆發(fā)展的成熟度。因?yàn)楹穗娋哂行碌臒醾鲗?dǎo)條件及特殊的環(huán)境條件，如輻照或冷卻劑腐蝕等，要求所用材料必須能適合這些應(yīng)用條件；強(qiáng)調(diào)材料的另一原因是，核電站系統(tǒng)比常規(guī)電站有更高的安全要求。由于我國(guó)目前正在建造的主要是第二代成熟的1000MW壓水堆核電站，同時(shí)也在通過(guò)技術(shù)引進(jìn)并吸收國(guó)外先進(jìn)技術(shù)以發(fā)展先進(jìn)的第三代1000MW堆核電站。因此，本文以壓水堆核電站為例，對(duì)其不同設(shè)備的用材做一簡(jiǎn)單介紹。在壓水堆核島中，主要設(shè)備除反應(yīng)堆及壓力容器外，還有蒸汽發(fā)生器、反應(yīng)堆冷卻劑主泵機(jī)組、穩(wěn)壓器及主管道等。由于這些部件在核島內(nèi)的位置、作用和工況不同，故材料的使用要求和環(huán)境條件也不盡相同，不同程度地存在輻照或酸腐蝕等；不僅要考慮常規(guī)的一些要求(如強(qiáng)度、韌性、焊接性能和冷熱加工性能)，而且須考慮輻照帶來(lái)的組織、性能、尺寸等變化，如晶間腐蝕、應(yīng)力腐蝕、低應(yīng)力脆斷、材料間的相容性、與介質(zhì)的相容性以及經(jīng)濟(jì)可行性等。為便于從它們的服役特點(diǎn)中理解每個(gè)部件的功能、選擇依據(jù)，下面將壓水反應(yīng)堆核島內(nèi)重要金屬部件的工況、要求以及它們的所用材料體系簡(jiǎn)述如下。包殼是指裝載燃料芯體的密封外殼。其作用是防止裂變產(chǎn)物逸出和避免燃料受冷卻劑的腐蝕以及有效地導(dǎo)出熱能，在長(zhǎng)期運(yùn)行的條件下不使放射性裂變物逸出。工況最為苛刻：內(nèi)受裂變產(chǎn)物、外受冷卻劑腐蝕和溫度、壓力的作用，并受到強(qiáng)烈的中子輻射和冷卻劑的沖刷、振動(dòng)以及內(nèi)應(yīng)力、熱循環(huán)(開(kāi)、停堆時(shí))應(yīng)力和燃料腫脹等作用。因而，包殼材料應(yīng)有以下性能：熱中子吸收截面小、感生放射性小、半衰期短、強(qiáng)度高、塑韌性好、抗腐蝕性強(qiáng)、對(duì)晶間應(yīng)力腐蝕和吸氫不敏感；熱強(qiáng)性能、熱穩(wěn)定性和抗輻照性能好；導(dǎo)熱率高、熱膨脹系數(shù)小，與燃料和冷卻劑相容性好；易于加工、便于焊接和成本低。適宜作為包殼的材料主要有：鋁及鋁合金、鎂合金、鋯合金和奧氏體不銹鋼以及高密度熱解碳。在壓水堆中，主要采用了鋯合金。這是因?yàn)槠錈嶂凶游战孛嫘 ?dǎo)熱率高、力學(xué)性能好，具有良好的加工性能以及與二氧化鈾有較好的相容性，尤其對(duì)高溫水及水蒸汽也有良好的抗腐蝕性和熱強(qiáng)性。
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3.堆內(nèi)構(gòu)件材料
在壓水堆中除了反應(yīng)堆壓力容器和燃料組件及相關(guān)的組件以外的均為堆內(nèi)構(gòu)件如壓緊板、導(dǎo)向筒、吊籃圍板、流量分配板、上下柵格組件等。
作用有：支撐燃料組件及精確定位、為控制棒及堆芯測(cè)量裝置和輻照監(jiān)督和提供支撐和導(dǎo)向、合理分配冷卻劑流和減少壓力容器內(nèi)表面的中子注量。
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工作環(huán)境：面對(duì)活性區(qū)、受到冷卻劑沖刷和高溫、高壓作用。
堆內(nèi)構(gòu)件用材應(yīng)度具有強(qiáng)度高、塑韌性好、高溫性能好、中子吸收截面和中子俘獲截面以及感生放射性小、抗腐蝕性、抗輻照性能好并與冷卻劑相容好，導(dǎo)熱率高、熱膨脹系數(shù)小，易于加工、便于焊接和戚本低。
適合于壓水堆內(nèi)構(gòu)件用材料要為奧氏體不銹鋼以及部分鎳基合金。
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4.反應(yīng)堆回路材料
壓水反應(yīng)堆的回路管道是維持和約束冷卻劑循環(huán)流動(dòng)的通道。作用：封閉高溫、高壓和帶強(qiáng)放射性的冷卻劑、對(duì)反應(yīng)堆安全和正常運(yùn)行起保障作用。
回路管道用材料應(yīng)備具有如下性能：抗應(yīng)力腐蝕、晶間腐蝕和均勻腐蝕的能力強(qiáng)，基體組織穩(wěn)定、夾雜物少、具有足夠強(qiáng)度、塑性和熱強(qiáng)性能，鑄鍛造和焊接性能好、生產(chǎn)工藝成熟、成本低、有類似的使用經(jīng)驗(yàn)，Co含量盡量低。
適合于壓水堆回路管道的主要材料為奧氏體不銹鋼。
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5.反應(yīng)堆壓力容器材料
反應(yīng)堆堆壓力容器是裝載堆芯、支撐堆內(nèi)所構(gòu)件和容納回路冷卻劑并維持其壓力的堆本體承壓殼體。
它是由上、下封頭和筒體組成；它與一回路管道共同組成冷卻劑力邊界；還具有密封放射性、阻止裂變產(chǎn)物逸散的功能。
對(duì)反應(yīng)堆壓力容器用材要求：強(qiáng)度高、塑韌性好、抗輻照性能和抗腐蝕性強(qiáng)、與冷卻劑相容性好；純凈度高、偏析和夾雜物少、晶粒細(xì)小、組織穩(wěn)定；易于進(jìn)行冷熱加(包括焊接和淬透性好)；成本低、高溫高壓下使用經(jīng)驗(yàn)豐富。反應(yīng)堆壓力容器，目前國(guó)內(nèi)外廣泛采用的A508III(Gr.3C1.1)、16MND5，內(nèi)壁堆焊不銹鋼。蒸汽發(fā)生器是將壓水堆一回路的熱能傳遞給二回路介質(zhì)以產(chǎn)生蒸汽的熱交換設(shè)備，一般采用帶汽水分器的飽和式自然循環(huán)蒸汽發(fā)生器。一般為管殼式，由簡(jiǎn)體、管板、汽水分離器及外殼容器、傳熱管等部件組成。蒸汽發(fā)生器傳熱管為壓水堆核電站中的核心部件，起著一、二回路的能量交換的重要作用，并對(duì)一回路壓力邊界完整性有重大影響。傳熱管在特定結(jié)構(gòu)和介質(zhì)條件下，承受高溫、高壓和管子內(nèi)外的壓差以及腐蝕、水力振動(dòng)等工況的作用，容易造成各種類型的腐蝕和應(yīng)力腐蝕破壞。
傳熱管應(yīng)具有：熱強(qiáng)性、熱穩(wěn)定性和焊接性好；基體組織穩(wěn)定、導(dǎo)熱率高、熱膨脹系數(shù)小；抗均勻腐蝕和局部腐蝕能力強(qiáng)；具有足夠的塑性和韌性以適應(yīng)彎管、脹管的加工和抗振動(dòng)。
蒸汽發(fā)器的筒體管板一般采用反應(yīng)堆壓力容器相同或相近的材料，如A508III(Gr.3C1.1)、18MND5，其它一些部件如分離器則采用碳(錳)鋼或低合金鋼等。
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