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核电站设备主要金属材料

日期: 2016-11-08
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1 核岛用金属材料概述

不同堆型,其结构和用途虽有所不同,但实现可控制核裂变反应的过程是相同的,都需要燃料元件、堆内构件、控制棒、反射层、冷却剂和慢化剂(快堆除外)以及包容它们的压力容器或压力管道等,因而需要各种各样的材料来制造相关部件,以实现核能向热能、热能向电能的安全、高效率的转化。


按照相关设备部件服役工况或使用功能的不同,核电设备可分为核一级、核二级、核三级和非核级。有核级要求的设备,一般即称其所用材料为核电关键材料。
核电站设备主要金属材料
核电常用的关键材料大体可分为碳钢、不锈钢和特殊合金,若进一步细分,则有碳(锰)钢、低合金钢、不锈钢、锆合金、钛铝合金和镍基合金等,按品种则有铸锻件、板、管、圆钢、焊材等等
核反应堆的发展,从开始就包括了材料的开发与优化,材料的发展很大程度上决定了核反应堆发展的成熟度。因为核电具有新的热传导条件及特殊的环境条件,如辐照或冷却剂腐蚀等,要求所用材料必须能适合这些应用条件;强调材料的另一原因是,核电站系统比常规电站有更高的安全要求。
由于我国目前正在建造的主要是第二代成熟的1000MW压水堆核电站,同时也在通过技术引进并吸收国外先进技术以发展先进的第三代1000MW堆核电站。因此,本文以压水堆核电站为例,对其不同设备的用材做一简单介绍。
在压水堆核岛中,主要设备除反应堆及压力容器外,还有蒸汽发生器、反应堆冷却剂主泵机组、稳压器及主管道等。由于这些部件在核岛内的位置、作用和工况不同,故材料的使用要求和环境条件也不尽相同,不同程度地存在辐照或酸腐蚀等;不仅要考虑常规的一些要求(如强度、韧性、焊接性能和冷热加工性能),而且须考虑辐照带来的组织、性能、尺寸等变化,如晶间腐蚀、应力腐蚀、低应力脆断、材料间的相容性、与介质的相容性以及经济可行性等。
为便于从它们的服役特点中理解每个部件的功能、选择依据,下面将压水反应堆核岛内重要金属部件的工况、要求以及它们的所用材料体系简述如下。
2 压水堆零/部件用金属材料
包壳是指装载燃料芯体的密封外壳。其作用是防止裂变产物逸出和避免燃料受冷却剂的腐蚀以及有效地导出热能,在长期运行的条件下不使放射性裂变物逸出。
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工况最为苛刻:内受裂变产物、外受冷却剂腐蚀和温度、压力的作用,并受到强烈的中子辐射和冷却剂的冲刷、振动以及内应力、热循环(开、停堆时)应力和燃料肿胀等作用。
因而,包壳材料应有以下性能:热中子吸收截面小、感生放射性小、半衰期短、强度高、塑韧性好、抗腐蚀性强、对晶间应力腐蚀和吸氢不敏感;热强性能、热稳定性和抗辐照性能好;导热率高、热膨胀系数小,与燃料和冷却剂相容性好;易于加工、便于焊接和成本低。
适宜作为包壳的材料主要有:铝及铝合金、镁合金、锆合金和奥氏体不锈钢以及高密度热解碳。
在压水堆中,主要采用了锆合金。这是因为其热中子吸收截面小、导热率高、力学性能好,具有良好的加工性能以及与二氧化铀有较好的相容性,尤其对高温水及水蒸汽也有良好的抗腐蚀性和热强性。



 

3.堆内构件材料

在压水堆中除了反应堆压力容器和燃料组件及相关的组件以外的均为堆内构件如压紧板、导向筒、吊篮围板、流量分配板、上下栅格组件等。

作用有:支撑燃料组件及精确定位、为控制棒及堆芯测量装置和辐照监督和提供支撑和导向、合理分配冷却剂流和减少压力容器内表面的中子注量。

核电站设备主要金属材料

工作环境:面对活性区、受到冷却剂冲刷和高温、高压作用。

堆内构件用材应度具有强度高、塑韧性好、高温性能好、中子吸收截面和中子俘获截面以及感生放射性小、抗腐蚀性、抗辐照性能好并与冷却剂相容好,导热率高、热膨胀系数小,易于加工、便于焊接和戚本低。

适合于压水堆内构件用材料要为奥氏体不锈钢以及部分镍基合金。

 

4.反应堆回路材料

压水反应堆的回路管道是维持和约束冷却剂循环流动的通道。

作用:封闭高温、高压和带强放射性的冷却剂、对反应堆安全和正常运行起保障作用。

回路管道用材料应备具有如下性能:抗应力腐蚀、晶间腐蚀和均匀腐蚀的能力强,基体组织稳定、夹杂物少、具有足够强度、塑性和热强性能,铸锻造和焊接性能好、生产工艺成熟、成本低、有类似的使用经验,Co含量尽量低。

适合于压水堆回路管道的主要材料为奥氏体不锈钢。

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5.反应堆压力容器材料

反应堆堆压力容器是装载堆芯、支撑堆内所构件和容纳回路冷却剂并维持其压力的堆本体承压壳体。

它是由上、下封头和筒体组成;它与一回路管道共同组成冷却剂力边界;还具有密封放射性、阻止裂变产物逸散的功能。

对反应堆压力容器用材要求:强度高、塑韧性好、抗辐照性能和抗腐蚀性强、与冷却剂相容性好;纯净度高、偏析和夹杂物少、晶粒细小、组织稳定;易于进行冷热加(包括焊接和淬透性好);成本低、高温高压下使用经验丰富。
反应堆压力容器,目前国内外广泛采用的A508III(Gr.3C1.1)、16MND5,内壁堆焊不锈钢。
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6.蒸汽发生器材料
蒸汽发生器是将压水堆一回路的热能传递给二回路介质以产生蒸汽的热交换设备,一般采用带汽水分器的饱和式自然循环蒸汽发生器。一般为管壳式,由简体、管板、汽水分离器及外壳容器、传热管等部件组成。
蒸汽发生器传热管为压水堆核电站中的核心部件,起着一、二回路的能量交换的重要作用,并对一回路压力边界完整性有重大影响。

传热管在特定结构和介质条件下,承受高温、高压和管子内外的压差以及腐蚀、水力振动等工况的作用,容易造成各种类型的腐蚀和应力腐蚀破坏。

传热管应具有:热强性、热稳定性和焊接性好;基体组织稳定、导热率高、热膨胀系数小;抗均匀腐蚀和局部腐蚀能力强;具有足够的塑性和韧性以适应弯管、胀管的加工和抗振动。

蒸汽发器的筒体管板一般采用反应堆压力容器相同或相近的材料,如A508III(Gr.3C1.1)、18MND5,其它一些部件如分离器则采用碳(锰)钢或低合金钢等。

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