RO《核電廠材料學(xué)》第1部分(序言)

1序言授課人：日期：中電投高級培訓(xùn)中心主要內(nèi)容1.1核電廠材料學(xué)問題

1.3反應(yīng)堆材料體系要求了解核電歷史及核電廠的材料問題1)2)了解核電廠材料面臨的環(huán)境3)了解核電廠的系統(tǒng)和組成，BWR、PWR、HWR、FBR了解核電廠的材料分類4)了解壓水堆電廠主要部件用材及要求5)1.1核電廠材料學(xué)問題132質(zhì)量數(shù)質(zhì)子數(shù)中子數(shù)=質(zhì)量數(shù)-質(zhì)子數(shù)核子安全殼輔助廠房汽輪機(jī)廠房輔助廠房應(yīng)急柴油機(jī)廠房燃料管理區(qū)放射性廢物庫AP1000核電廠壓水堆PWR核電站工況高溫、高壓、腐蝕性水介質(zhì)、輻照、振動、疲勞、磨損、沖刷PWR核電站部件材料工程材料都是脆弱的容易受到使用環(huán)境的破壞疲勞低溫脆化高溫蠕變腐蝕、應(yīng)力腐蝕、沖刷腐蝕、……磨損每種材料都有其最適合的應(yīng)用環(huán)境低碳鋼：韌性好、可焊性好、價格低；但不耐腐蝕不銹鋼：耐腐蝕性好；但成本高……核電站材料問題電站60年長壽命周期內(nèi)核設(shè)備的完整性、可靠性建造、運(yùn)行上出現(xiàn)的問題多半與材料有關(guān)；國內(nèi)：秦山二期壓力容器、田灣蒸汽發(fā)生器…國外：Davis-Besse封頭腐蝕，南Texas下部儀表管腐蝕…工況復(fù)雜：溫度、壓力、中子輻照、震動、流體沖刷等；腐蝕產(chǎn)物釋放：停堆劑量異種材料：焊接、電偶腐蝕、應(yīng)力腐蝕開裂設(shè)計(jì)時，堆材料的使用性能需與工況要求相互匹配，并留有充足余量，需要通過合理選材、改進(jìn)工藝或開發(fā)新材料，以降低成本、延長壽命和改進(jìn)堆型。在核電站的定型化、標(biāo)準(zhǔn)化、系列化和商品化的各階段中，都需要有大量材料數(shù)據(jù)作基礎(chǔ)。元素周期表Davis-Besse上封頭腐蝕－位置Davis-Besse上封頭腐蝕－簡介Davis-Besse上封頭腐蝕－腐蝕情況

Davis-Besse上封頭腐蝕時間序列輻射劑量監(jiān)督歷史數(shù)據(jù)上封頭出現(xiàn)硼酸結(jié)晶(10RFO)腐蝕產(chǎn)物和溶液漏出(12RFO)蒸發(fā)器傳熱管的損傷SGPb-SCCSG蒸發(fā)Pb濃縮在SCC處沉積誘發(fā)裂紋擴(kuò)展堆芯圍板螺栓斷裂典型900MW-PWR堆芯圍板工況:吊籃桶體:10dpa,T=300-330℃圍板:80-100dpa,T=370℃圍板螺栓:70dpa,300℃異種金屬焊接處SCC冷卻劑泵螺栓的沖刷腐蝕日本美濱核電站高壓加熱器爆管事故

反應(yīng)堆材料的性能要求-1(1)核性能為減少中子消耗、降低235U的臨界質(zhì)量(堆芯臨界尺寸)和濃度(富集度)，除控制材料外，堆芯所有結(jié)構(gòu)材料的中子吸收截面都應(yīng)該盡可能地??；為減少放射性危害，制造反應(yīng)堆的材料活化截面也應(yīng)該盡可能小，含長半衰期元素少，如Co?？馆椪?，損傷截面小，產(chǎn)氣(He、H等)截面小(2)輻照穩(wěn)定性輻照期間組織、結(jié)構(gòu)應(yīng)穩(wěn)定，脆化、腫脹等輻照效應(yīng)和PCI（芯塊與包殼的相互作用）??；雜質(zhì)和氣體合量少，純潔度高，尤其Cu、P、S含量應(yīng)盡量少，成分偏析??；晶粒和沉淀強(qiáng)化相要細(xì)小穩(wěn)定。反應(yīng)堆材料的性能要求-2（3）機(jī)械性能強(qiáng)度、塑韌性和熱強(qiáng)性高缺口敏感性、低溫脆性抗疲勞、耐磨損……（4）化學(xué)性能抗腐蝕、抗高溫氧化能力強(qiáng)；點(diǎn)腐蝕、晶間腐蝕和應(yīng)力腐蝕傾向性小。……（5）物理性能導(dǎo)熱率大，熱膨脹系數(shù)??；……反應(yīng)堆材料的性能要求-3(6)工藝性能冶煉、鑄造、煅壓、冷加工和焊接性能都應(yīng)良好；淬透性大，無時效、回火脆性和二次硬化以及延遲脆性等傾向……(7)經(jīng)濟(jì)性工藝簡單易行，原材料來源方便，制造成本低廉。在滿足上述要求基礎(chǔ)上，應(yīng)優(yōu)先選用工藝成熟，使用經(jīng)驗(yàn)豐富的材料。1.3反應(yīng)堆材料體系反應(yīng)堆材料體系核燃料包殼材料控制材料堆內(nèi)構(gòu)件材料壓力容器材料回路管道材料蒸汽發(fā)生器材料安全殼材料冷卻劑慢化、反射與屏蔽材料高熔點(diǎn)

UO2等陶瓷耐強(qiáng)輻照材料

鋯合金、不銹鋼、鎳基合金壓力邊界材料

低碳鋼、不銹鋼、鎳基合金(1)燃料（核裂變材料）壓水堆核電站燃料用的是UO2陶瓷型材料。耐高溫并在鈾的氧化物中密度最高、抗蝕和抗腫脹性能也比較好

陶瓷性質(zhì)的結(jié)構(gòu)可以保持大部分的裂變產(chǎn)物，形成防止放射性物質(zhì)外漏的第一道安全屏障。燃料組件

先將UO2燒結(jié)成圓柱形芯塊，再封裝在鋯合金(如鋯－4合金、M5等)管內(nèi)組成元件。然后將元件以n×n陣列方式定位排列在方形格架內(nèi)，組成燃料組件反應(yīng)堆的裂變場所，即活性區(qū)就是由許許多多燃料組件排列而成(2)包殼材料燃料包殼管是反應(yīng)堆的第二道安全屏障。作用:支撐、保護(hù)燃料不受冷卻劑浸蝕防止裂變產(chǎn)物進(jìn)入冷卻劑回路。材料應(yīng)具備下列性能：(1)中子吸收截面小，導(dǎo)熱率好；(2)強(qiáng)度高，塑韌性好，耐蝕性強(qiáng)、對應(yīng)力腐蝕不敏感；(3)熱強(qiáng)性、熱穩(wěn)定性和抗輻照性能好。PWR燃料元件包殼一般都采用鋯合金:Zr-4，M5、Zirlo中子吸收截面小在350℃下具有優(yōu)良的機(jī)械性能和抗水腐蝕能力

(3)反應(yīng)堆壓力容器材料壓力容器及一回路壓力邊界是核電站的第三道安全屏障。保持一回路系統(tǒng)壓力，防止冷卻劑沸騰；在燃料元件一旦破損時，保證放射性物質(zhì)或氣體仍保留在一回路系統(tǒng)內(nèi)。廣泛采用MnMoNi鋼，如A508-Cl.3(16MND5)、A533gradeB為防止腐蝕，與冷卻劑接觸的內(nèi)壁堆焊了兩層(共5~6mm)奧氏體不銹鋼里襯(308L/309L)。(4)回路材料PWR核電站回路系統(tǒng)包括：反應(yīng)堆、蒸汽發(fā)生器、主泵、穩(wěn)壓器和回路管道等（統(tǒng)稱核島）。一回路對反應(yīng)堆安全十分重要，為防止破壞引起失水事故（LOCA），一回路管道材料應(yīng)滿足下列要求：抗應(yīng)力腐蝕、晶間腐蝕、均勻腐蝕、沖刷腐蝕能力強(qiáng)；高、低溫強(qiáng)度和塑韌性好；焊接和鑄造性能好。一回路管道材料大量使用奧氏體、或雙相不銹鋼耐應(yīng)力腐蝕開裂焊接端抗熱裂紋能力強(qiáng)德國核電站主管道選用低碳鋼管，內(nèi)襯不銹鋼防腐層與壓力容器類似可防止異種材料焊接裂紋

(5)蒸發(fā)器材料

蒸汽發(fā)生器結(jié)構(gòu)主要由筒體、管板、水室、汽水分離器、干燥器和倒U形傳熱管組成。U形管是主要傳熱構(gòu)件，多達(dá)幾千根，總長約70－110公里，設(shè)計(jì)時留有足夠的堵管裕量，即使壽期內(nèi)有上千根停用，仍有足夠的傳熱面積。傳熱管材料需具備：（1）導(dǎo)熱性能好、熱膨脹系數(shù)??；（2）抗應(yīng)力腐蝕能力強(qiáng)；（3）熱強(qiáng)性、熱穩(wěn)定性和焊接性能良好；（4）塑韌性好，以便制管、彎管和脹管的加工。蒸汽發(fā)生器傳熱管用鎳基合金早期用304L、600MA后用690TT、600TT、800噴丸

(6)控制材料

控制材料的特點(diǎn)是中子吸收截面大，如硼B(yǎng)-10、鉿Hf、鎘Cd等。主要用作控制棒和可燃毒物。反應(yīng)堆的功率調(diào)節(jié)、后備反應(yīng)性的儲備以及開堆、停堆等都需要用控制材料制成的控制棒、調(diào)節(jié)棒、可燃毒物等來實(shí)現(xiàn)。

(7)安全殼材料安全殼是核電站的第四道安全屏障。目的：防止當(dāng)發(fā)生強(qiáng)烈地震或失水等嚴(yán)重事故時，保證放射性物質(zhì)全部保持在安全殼內(nèi)，不外逸污染環(huán)境。防止外界自然力或人為原因損壞反應(yīng)堆或威脅反應(yīng)堆安全安全殼的體積龐大，其組裝、焊接是現(xiàn)場進(jìn)行的，焊后難以進(jìn)行熱處理。要求材料焊接性能好、雜質(zhì)少、強(qiáng)度高，塑韌性好。安全殼材料國外多采用SA516和SA517鋼或16Mn鋼。也有采用高強(qiáng)度A543鋼的AP1000反應(yīng)堆用SA-738-B鋼(0.2C,0.9-1.5Mn,0.6Ni,0.3Cr,0.15-0.55Si,<0.35Cu,<0.03P,<0.03S,.....)

(8)慢化材料目的：將裂變放出的快中子慢化成熱中子，以便235U吸收發(fā)生核裂變(因?yàn)?35U吸收慢中子發(fā)生裂變的效率比快中子要高很多)。方法：靠非彈性碰撞降低快中子能量。慢化材料的特性：原子質(zhì)量輕、中子散射截面大、吸收截面小輕水、重水和石墨(9)冷卻劑材料

冷卻劑是將核裂變能導(dǎo)出堆芯的載熱劑。冷卻劑性能：導(dǎo)熱性好，比熱容大、流動性好和腐蝕性小。常用的冷卻劑：輕水、重水He、CO2液體金屬如鈉、鈉鉀合金、鉛鉍合金等現(xiàn)代發(fā)展起來的還有熔鹽等。壓水堆的冷卻劑與慢化劑功能合一都用輕水或重水。

(10)反射與屏蔽材料反射材料

在反應(yīng)堆中的作用:減少中子損失，盡量使活性區(qū)邊界逸出的中子被反彈回堆芯。材料要求：原子量小、中子散射截面大，吸收截面小。散射截面大，意味著與中子碰撞機(jī)會