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发布时间：2019-03-06 17:03所属平台：学报论文发表咨询网浏览： 次
摘要:简要地介绍了中国核电站的建设。核电堆分为核分裂型的与核聚变型的，前者已成熟，后者尚处于研发阶段，可能还需要10a左右才能投入商业运行。铝材在核电站建设中获得了较多的应用，主要用作中、低温堆燃料元件的包壳、工艺管、辅助管道等，工业纯铝在温
摘要:简要地介绍了中国核电站的建设。核电堆分为核分裂型的与核聚变型的，前者已成熟，后者尚处于研发阶段，可能还需要10a左右才能投入商业运行。铝材在核电站建设中获得了较多的应用，主要用作中、低温堆燃料元件的包壳、工艺管、辅助管道等，工业纯铝在温度为100℃～130℃的水冷反应堆中得到广泛的应用。堆用铝材除应具有常规的优良性能外，还应有小的热中子吸收截面。用得多的堆用铝合金为工业纯铝、Al-Mg-Si系、Al-Si系、Al-Fe-Ni系合金等。
关键词:核电站,包壳,工艺管,热中子吸收截面,堆用铝合金
采用核燃料(铀U235、钚Pa256、铀233)或可聚变核元素(氘、氚)裂变反应或核聚变反应产生热能转为动力的装备称为核装备，发出的电称为核电，它是当今三大电之一，与火电、水电并列。核动力装备包括核反应堆，产生动力的系统和设备，以及为保证设备正常进行、人员健康和安全所需要的系统和设备等三个主要部分。
除铀、钚是核燃料外，钍Th也将是一种核燃料，尚处于实验阶段，也许核反应堆的钍时代会很快到来。钍是一种更安全的核燃料，是一种具有轻微放射性的元素，可在高能中子撞击下转变为可裂变的铀233，但在使用后，铀233产生的核废料比传统核电站使用的铀235产生的核废料少。
1中国在建的核电站
2014年11月，国务院办公厅印发的《能源发展战略行动计划》(2014年-2020年)明确提出了到2020年，中国核电装机容量要达到5800×104kW，在建3000×104kW以上的目标。据媒体报道，中国国家核电公司副总经理郑明光曾对外表示，中国在建与拟建超过60座核电站，在建的有30座，2019年后的5a内将兴建更多座。
近些年来，中国核电走出去的步伐明显加快，尤其是“一带一路”相关国家和地区的合作顺利，早在20世纪90年代中国核电就已开始走向世界，截至目前，中核集团已向巴基斯坦出口建设4台30×104kW级核电机组、2台百万kW级核电机组，在巴基斯坦出口建设的核电项目总装机容量已达463×104kW，在运装机容量超过130×104kW，还与阿根廷、沙特阿拉伯、美国等在核合作方面也取得长足进展。
据有关报道，至2018年2月全球有72个国家已经或正在计划发展核电，其中“一带一路”相关国家占大多数。据国际原子能机构统计，2030年前，全世界将新建机组300台，其中80%左右落户“一带一路”相关国家。中国中核集团完整的核工业产业链在推动着“一带一路”的建设滚滚向前，市场容量可达1000万亿美元。
中国已成为全世界核电站建设与核电技术的引领者，中核集团正在开展“华龙一号”、“玲龙一号”等有完全自主知识产权的多种先进反应堆建设。中核集团在役核电机组18台，在建的8台，年度发电量已破千亿kWh，负荷因子、能力因子等运行指标已连续5a稳居世界先进水平。
中核集团自主研发的“燕龙”泳池式低温供热堆，可为北方城市提供安全经济、绿色环保的供暖系统，一座400MW的“燕龙”低温供热堆，供暖建筑面积可达约20000km2，相当于20万户三居室，可为三北地区供暖，为打赢蓝天保卫战做出大贡献。和水电一样，核电建造成本很高，建设周期也很长，但是运营成本甚低，绿色、环保、高效、低运营成本的核电定是中国能源重点发展方向之一，不过现在占的比例还很低，仅有2%强，即使到2030年，可能也不会超过4%，比风电和光伏的还少，还没有发挥出太大作用，但应用前景广阔。
中国原子能科学研究院院长万钢指出，要加快大型放射治疗和诊断设备国产化、产业化发展，使核技术为人们健康、幸福生活做出更大贡献，“一带一路”沿线人口约44亿，如果这一区域核技术应用发展到目前发达国家的水平，将是一个约4万亿元的巨大市场。不过这不是短期内可达到的，笔者认为，可能还要二三十年或更长时间。
目前，中核集团在钴-60等放射性药品、成像装置、探测器、加速器技术等领域很具优势，合作市场空间甚大。中核集团还有一项雄心勃勃的计划———研发小型核反应堆，它可在偏远地区、舰船甚至飞机上应用，这可不是轻易能做到的，具有极大的挑战性，是中国夺取全球核能市场控制权的一项重大举措。
中核集团已于2017年在海南建了一个“玲龙一号"模块式小小的堆。建造一座大型常规核反应堆须投资600多亿元，而建一个模块式小堆的投资还不到60亿元。模块式小堆体积比公共汽车略大一些，可用卡车搬运，它的优点是产生的有毒废料少，可在单一工厂内建造，使用也更灵活，因此小反应堆是国际核电发展的新趋势。现在为实现模块式小堆的商业化，中国正在与俄罗斯、阿根廷、美国等的同行展开竞赛。
2核电站用铝材
核电站(原子能发电站)是利用人为控制的缓慢裂变反应释放的能量发电。一座100万kW的核电站，只需浓缩铀30t/a，而同等功率的火电站却需要2.5Mt/a煤，同时放出大量的二氧化碳、含硫的气体以及固体废弃物。不管核电站用的是什么堆型(沸水堆、压水堆、气冷堆和快中子堆)都要用一定量的铝及铝合金材料，仅在于用量及品种方面不同而已。在核工业中，铝材主要用作中、低温堆燃料元件的包壳、工艺管、辅助管道等，工业纯铝在温度为100℃～130℃的水冷反应堆中得到广泛的应用。
对堆用铝材的要求堆用铝材除应具有常规的优良性能外，还应有小的热中子吸收截面，铝的为0.22×10-24cm2，仅比铍、镁、锆的大，而比其他金属的小得多;辐照感应放射能衰减快，高纯铝在停止辐照后的7d内就急剧下降;反应堆壁的溅蚀小;在175℃以下铝耐辐照，产生的空穴率小。
在反应堆中，作为热交换介质的水所引起的腐蚀比热电站中的严重得多。通常铝材在50℃以下的水中发生点蚀，在50℃～250℃水中以均匀腐蚀为主，在高于300℃的水中则发生晶间腐蚀。因此，堆用铝合会应有高的纯度，严格控制水的纯度，是防止点蚀的有效措施。此外，对铝材进行阳极氧化处理也是提高抗蚀性的好办法，但仅在低于100℃水中才有高的抗蚀能力。作为包壳材料的8001铝合金和工艺管的6063型铝合金，在加工、运输、安装过程中，其表面都不可避免地会产生种种局部损伤，如划痕、碰伤、氧化膜缺陷等，它们加速腐蚀。
但是，只要损伤深度不大于0.3mm，不会引起异常的加速腐蚀，在低温水堆的特定条件下可安全使用。中国有的工厂在生产6063型铝合金工艺管时，在阳极氧化后套上白布袋，并以专用车厢运抵用户，以防损伤。在中温水中，铝以均匀腐蚀为主。因此，水中的离子对其腐蚀影响不像低温时那么显著与敏感，而合金成分、晶粒大小与组织状态却起着相当大的作用。
在Al-Mg-Si系的6063型铝合金中不宜有过剩硅，硅与镁应全部形成Mg2Si，即w(Mg)/w(Si)含量=1.73，6463铝合金即是一种这样的合金。向合金加入等量的铁与镍(质量分数为0.3%～0.4%)可形成Al9FeNi相，可提高合金的抗蚀性。在高于130℃的动水中，阳极氧化膜易脱落，不耐腐蚀，但预生氧从膜(材料使用前，将其置于一定温度的高纯水中一定时间所形成的氧化膜)可提高合金抗中、高温动水腐蚀能力。
对堆用铝材危害最大的晶间腐蚀，是由晶界与晶粒基体间的电位差引起的。因此，凡是能降低这种电位差的措施，都能提高合金抗晶间腐蚀的能力，向铝合金添加一定量的铁与镍可形成氢超电压较低的阴极相Al3Fe、Al3Ni、Al9FeNi等，提高抗晶间腐蚀的能力，这就是中、高温堆用铝材都含有铁与镍的缘故;向A-Mg-Si系合金添加少量铜，也能提高合金抗晶间腐蚀能力。合金晶粒越细，抗晶间腐蚀能力也越强。热处理工艺对堆合金晶间腐蚀有明显影响。高温退火往往使呈阴极的第二相沿晶界沉淀与使晶粒长大，增大合金晶间腐蚀敏感性。
微量元素对堆用铝合金性能的影响晶粒越细，组织越均匀，抗腐蚀性也越高，所以往往向铝合金中添加微量晶粒细化剂，但是对堆用铝合金应考虑微量元素的热中子吸收截面。例如天然硼的热中子吸收截面55×10-24cm2，而B10的竟高达3800×10-24cm2，所以硼及其合金是很好的屏蔽材料与控制材料，但对非屏蔽材料来说，却是一个有害的元素，例如作为堆用材料的8001铝合金的含硼量应是w(B)≤0.001%。锆的热中子吸收截面相当小，只有0.18×10-24cm2，钛的为5.6×10-24cm2，可作为堆用铝合金材料的微量添加元素。
堆用铝合金反应堆铝材有两种，温度不高于130℃的低温堆用元件包壳及结构材料，主要用的是工业纯铝与AlMg-Si系合金;工作温度不高于400℃的中温堆用材料主要是8001铝合金，它是一种非常用的Al-Fe-Ni系合金，1999年在美国铝业协会注册的美国合金，其成分(质量分数/%):0.17Si，(0.45～0.7)Fe，0.15Cu，(0.9～1.3)Ni，0.05Zn，0.001B，0.008Li，0.003Cd，0.007Co，其他杂质单个0.05、合计0.15，其余为A1;还可以用Al-Si-Ni系合金。
在美国还广泛采用1100铝合金作包壳材料，它的成分(质量分数/%):(0.05～0.20)Cu，0.05Mn，0.10Zn，0.95(Fe+Si)，其他杂质单个0.05、合计0.15，余量为Al。在工作温度不高于400℃的中温堆中，中国用w(Si)=7%及w(Ni)=0.65%的铝合金作包壳材料，它的热中心吸收截面小，对中、高温水有高的抗蚀性，有相当好的室温及高温力学性能，加工性能好，用作管元件及板元件的包壳材料。
国外有采用w(Si)=9%～12%、w(Ni)=1%～1.5%铝合金与11%Si、w(Ni)=1.0%、w(Fe)=0.5%、w(Mg)=0.8%、w(Ti)=0.1%的Al-Mg-Ni合金作元件包壳材料的，它们在高温水中有良好的抗腐蚀性能，后一个合金在260℃～300℃水中的耐腐蚀性能比8001铝合金的还高。
此外，在某些特殊情况下，如果作为屏蔽材料的混凝土的质量与体积不能满足要求或不便使用时，则除水以外，还可用一种名为波拉尔(Boral)的铝板作为屏蔽材料，它是一种含有碳化硼的铝合金，热轧Boral板时，在其表面包覆一层1100工业纯铝。Boral一词就是硼(boron)和铝(alminium)的复合词。1965年现名东北轻合会有限责任公司二期建设项目工艺管车间交付生产，开中国可生产核工业铝材的先河，至1983年共生产53306根(352t)反应堆工艺管。工艺管是用挤压管坯冷轧的，外径43mm，内径41mm，管的内外都经过阳极氧化处理。
3热核聚变反应堆铝材唱主角
核聚变反应堆是将氘(D)和氚(T)产生的高温等离子体封闭起来，进行核聚变反应，形成较重的氕的过程，正好与前面介绍的核裂变反应堆相反。核聚变反应堆应该用感应放射能衰减快的、停堆后短时间人可以接近的、残留放射能少的材料制成，铝材正是这样一种较为理想的材料。美国从1997年起斥资235亿美元建造的“人造太阳”的美国国家点火装置(NIF)的130t重目标靶室就是用厚达250mm的5083铝合金板制造的，2010年11月2日进行了首次点火实验，用192束激光束一齐瞄准一颗只有花生米大小却含有氘和氚气体的小球体，它们立马发生聚变，释放1.3MJ能量，其核心最高温度600万，为人类利用清洁的绿色聚变核能打开了新大门。
现在，除美国外，中国和俄罗斯也在大力开发核聚变反应堆。建造聚变用的材料除要求感应放射能小之外，在120℃还应有相当高的强度;由于磁场大，会产生涡流，铝合金的电阻应大;还应有良好的成形加工性能、真空性能与导热性能。残余感应放射能低的材料是碳、SiC、纯铝，但碳与SiC的成形性能低，加工大的结构困难，所以现在日本的R计划、国际原子能机构的INTOR和美国的STARFIRE核聚变反应堆都把铝合金作为开发的首选材料。在元素周期表中，对14.1MeV中子引起的感应放射能低的元素只有锂、铍、碳、镁、铝、硅、钒、铅、铋等。因此，热核聚变反应堆铝合金的研发对象无疑应当是以高纯铝为基的Al-Mg-Si系、Al-Mg系、Al-Si系、Al-V系、Al-V-Si系、Al-Mg-V系、Al-Mg-Li系及烧结铝合金(SAP)。对这类材料应严格控制铝合金的常用合金化元素铁、铜、铬等的含量。
4结束语
1994年中国首台核电机组开始商业运行，比日本的晚了25年。然而24年后今天，中国有43台核电机组，而日本只有42台，不但在数量上已超过日本，而且在发电量上远大于日本的，因为日本的大半机组处于停滞的半死不活状态。在今后的核电建设方面，中国在国际上处于压倒优势。
2010年以后，日本在建的核电站仅有一座，欧美在建的也寥寥无几，而中国在建的却有24座，其中还包括多台第三代核电机组，还在高速反应堆、海上浮动反应堆等高技术方面进行全方位的积极探索。照现在这样发展下去，中国会很快成为核电技术与装备的世界领跑者，不过也有专家认为，中国尚未建立起牢固的核产业国际可信度。在这方面我们需下大力气，不可掉以轻心。中国核电技术享誉世界指日可待。
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