不同堆型，其結構和用途雖有所不同，但實現(xiàn)可控制核裂變反應的過程是相同的，都需要燃料元件、堆內構件、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制造相關部件，以實現(xiàn)核能向熱能、熱能向電能的安全、高效率的轉化。   按照相關設備部件服役工況或使用功能的不同，核電設備可分為核一級、核二級、核三級和非核級。有核級要求的設備，一般即稱其所用材料為核電關鍵材料。   核電常用的關鍵材料大體可分為碳鋼、不銹鋼和特殊合金，若進一步細分，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。   核反應堆的發(fā)展，從開始就包括了材料的開發(fā)與優(yōu)化，材料的發(fā)展很大程度上決定了核反應堆發(fā)展的成熟度。因為核電具有新的熱傳導條件及特殊的環(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用條件；強調材料的另一原因是，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，同時也在通過技術引進并吸收國外先進技術以發(fā)展先進的第三代1000MW堆核電站。因此，本文以壓水堆核電站為例，對其不同設備的用材做一簡單介紹。   在壓水堆核島中，主要設備除反應堆及壓力容器外，還有蒸汽發(fā)生器、反應堆冷卻劑主泵機組、穩(wěn)壓器及主管道等。由于這些部件在核島內的位置、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（如強度、韌性、焊接性能和冷熱加工性能），而且須考慮輻照帶來的組織、性能、尺寸等變化，如晶間腐蝕、應力腐蝕、低應力脆斷、材料間的相容性、與介質的相容性以及經濟可行性等。   為便于從它們的服役特點中理解每個部件的功能、選擇依據(jù)，下面將壓水反應堆核島內重要金屬部件的工況、要求以及它們的所用材料體系簡述如下。   1壓水堆零/部件用金屬材料1.1.1 包殼材料   包殼是指裝載燃料芯體的密封外殼。其作用是防止裂變產物逸出和避免燃料受冷卻劑的腐蝕以及有效地導出熱能，在長期運行的條件下不使放射性裂變物逸出。   工況最為苛刻：內受裂變產物、外受冷卻劑腐蝕和溫度、壓力的作用，并受到強烈的中子輻射和冷卻劑的沖刷、振動以及內應力、熱循環(huán)(開、停堆時)應力和燃料腫脹等作用。   因而，包殼材料應有以下性能：熱中子吸收截面小、感生放射性小、半衰期短、強度高、塑韌性好、抗腐蝕性強、對晶間應力腐蝕和吸氫不敏感；熱強性能、熱穩(wěn)定性和抗輻照性能好；導熱率高、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。這是因為其熱中子吸收截面小、導熱率高、力學性能好，具有良好的加工性能以及與二氧化鈾有較好的相容性，尤其對高溫水及水蒸汽也有良好的抗腐蝕性和熱強性。       1.1.2 堆內構件材料   在壓水堆中除了反應堆壓力容器和燃料組件及相關的組件以外的均為堆內構件如壓緊板、導向筒、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、為控制棒及堆芯測量裝置和輻照監(jiān)督和提供支撐和導向、合理分配冷卻劑流和減少壓力容器內表面的中子注量。   工作環(huán)境：面對活性區(qū)、受到冷卻劑沖刷和高溫、高壓作用。   堆內構件用材應度具有強度高、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。   適合于壓水堆內構件用材料要為奧氏體不銹鋼以及部分鎳基合金。   1.1.3 反應堆回路材料壓水反應堆的回路管道是維持和約束冷卻劑循環(huán)流動的通道。   作用：封閉高溫、高壓和帶強放射性的冷卻劑、對反應堆安全和正常運行起保障作用。   回路管道用材料應備具有如下性能：抗應力腐蝕、晶間腐蝕和均勻腐蝕的能力強，基體組織穩(wěn)定、夾雜物少、具有足夠強度、塑性和熱強性能，鑄鍛造和焊接性能好、生產工藝成熟、成本低、有類似的使用經驗，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。   1.1.4 反應堆壓力容器材料反應堆堆壓力容器是裝載堆芯、支撐堆內所構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、阻止裂變產物逸散的功能。   對反應堆壓力容器用材要求：強度高、塑韌性好、抗輻照性能和抗腐蝕性強、與冷卻劑相容性好；純凈度高、偏析和夾雜物少、晶粒細小、組織穩(wěn)定；易于進行冷熱加(包括焊接和淬透性好)；成本低、高溫高壓下使用經驗豐富。   反應堆壓力容器，目前國內外廣泛采用的A508III(Gr.3C1.1)、16MND5，內壁堆焊不銹鋼。   1.1.5 蒸汽發(fā)生器材料蒸汽發(fā)生器是將壓水堆一回路的熱能傳遞給二回路介質以產生蒸汽的熱交換設備，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，并對一回路壓力邊界完整性有重大影響。   傳熱管在特定結構和介質條件下，承受高溫、高壓和管子內外的壓差以及腐蝕、水力振動等工況的作用，容易造成各種類型的腐蝕和應力腐蝕破壞。   傳熱管應具有：熱強性、熱穩(wěn)定性和焊接性好；基體組織穩(wěn)定、導熱率高、熱膨脹系數(shù)?。豢咕鶆蚋g和局部腐蝕能力強；具有足夠的塑性和韌性以適應彎管、脹管的加工和抗振動。   蒸汽發(fā)器的筒體管板一般采用反應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。   2材料體系在國際上的核電運作建設中，ASME體系(通用和西屋)、俄羅斯(石墨慢化反應堆和俄羅斯壓水堆)體系、法國RCC-M（壓水堆)體系、加CAND（重水鈾反應堆)體系和德國KTA體系等。不同體系的壓水堆中所用關鍵材料有所不同、但相對還是比較接近。下面表1.1為各主要核電國家體系用材情況。   目前，我國的核電材料標準體系并未完全建立(正逐漸建立之中)，主要采用了引進技術中所列的一些國外牌號材料，如表1.1中所列的RCC-M、ASME等體系材料。   3、錳鎳鉬類低合金鋼鐵素體鋼的價格便宜，通過熱處理能夠得到需要的低溫和高溫力學性能，且物理性能較為理想，可加工制造特大、特厚型部件。為防止高溫冷卻劑腐蝕，在表面上可堆焊耐腐蝕的奧氏體不銹鋼。反應堆壓力容器、蒸汽發(fā)生器、穩(wěn)壓器冷卻泵泵殼即是用此這類鋼制造。   主要鋼種有法國RCC-M 16MND5和18MND5,美國ASME中的SA-302GrC、SA-533、SA-508III(Gr.3C1.1)、SA-541Gr3，德國VDTUV384中的13MnNiMo5-4等。   3.1 簡介   這類含Mn、Ni、Mo（Nb）的低合金鋼，分別列于美國的ASME規(guī)范中的SA-302M、SA-533M(鋼板)、SA-508M、SA-541M(鍛件)。與法國RCC-M中相關M規(guī)范有對應或接近的材料。而德國技術監(jiān)督協(xié)會材料公報VDTUV384中的MnNiMo5-4系鍋爐及壓力容器專用鋼板。   除了德國的13MnNiMo5-4外，其余材料在我國壓力容器用鋼的標準系列中尚無直接對應的牌號，僅GB/T1544-95標準(壓水堆壓力容器選材原則與基本要求)中引用了這些材料。   3.1.1 16MND5、18MND5   這是法國RCC-M體系中的材料，其中M2111-M2117、M2119、M2131涉及到的為16MND5鍛件，M2141、M2142為16MND5鋼板及鍛制封頭，M2121、M2122為16MND5鋼板及壓制封頭，M2125-M2128則為18MND5鋼板及壓制封頭，M2133-M2134為18MND5鍛件等。   這兩種材料化學成分要求基本相同，18MND5的強度上略高(這是對成分、熱處理淬火或回火參數(shù)進行控制而有意造成的)。由于Mn、Ni、Mo在鋼中的作用，具有較好的淬透性、高溫性能和低回火脆性特征。   在我國壓力容器用鋼的標準系列中未有明確對應的牌號，只在GB/T15443-95標準附錄中引用了相關標準的材料。   3.1.2 SA-302 Gr.C、SA-533B等   這幾種材料系ASME體系的材料，與上述的16MND5、18MND5接近，材料型式同樣有鋼板、鍛件，分列于美國的ASME標準中的SA-302 Gr.C、SA-533B(鋼板)或SA-508III（Gr.3C1.1)、SA-541Gr.3(鍛件)等規(guī)范。   3.1.3 13MnNiMo5-4   系德國六十年代研制成功的可焊貝氏體型耐熱結構鋼，為非列標鋼種，是一種添加有鎳、鉻、鉬和微量鈮(鈮起細化晶粒并強化的作用)的細晶粒低合金鋼。該鋼有較好的綜合力學性能，有較高的高溫屈服點和對裂紋不敏感的特性，良好的焊接性能和工藝性能。   國內GB713-2008標準中的13MnNiMoR為對應鋼種。   3.2 用途   16MND5、18MND5是法式壓水堆核島設備中最為重要的受壓部件材料，應用于反應堆壓力容器和蒸汽發(fā)生器等部件，如反應堆壓力容器整體頂蓋（或頂蓋+頂蓋法蘭)、法蘭、簡體、過渡環(huán)、接管等；蒸汽發(fā)生器上封頭、下封頭、管板、筒節(jié)、一二次側人孔、穩(wěn)壓器筒節(jié)、冷卻泵主法蘭等。   ASME對應材料的用途與16MND5和18MND5用途類似，13MnNiMo5-4則主要用于工作溫度不超過400℃的各種焊接件，如鍋筒、壓力容器或封頭等構件。   4、奧氏體不銹鋼在反應堆中主要采用奧氏體不銹鋼，原因在于：   1.馬氏體不銹鋼雖強度高但因鉻含量低致使其耐蝕性較差；而高鉻鐵素體不銹鋼雖耐蝕性較馬氏體鋼強，但卻比奧氏體不銹鋼脆性大，且不能用熱處理方式進行強化；雙相不銹鋼綜合了鐵素體和馬氏體不銹鋼的特點，卻仍有鐵素體不銹鋼的三種脆性(475℃脆性、 相脆性與高溫脆性)和耐熱性能、加工性能較差的特點。   2.馬氏體不銹鋼(不預熱而焊接、和不焊后熱處理可能產生冷裂與延遲裂紋)一般不用作焊接件；而高鉻鐵素體不銹鋼焊接易引起熱影響區(qū)晶粒長大使韌性降低，也須預熱與焊后熱處理，加之其三脆性對安全有威脅。   3.奧氏體不銹鋼雖進行去應力處理，但為了防止敏化增加腐蝕傾向，一般不用預熱和焊后熱處理，因而主回路管道多采用奧氏體不銹鋼以便于現(xiàn)場焊接，且奧氏體不銹鋼的輻照敏感性較低。   4.雖然奧氏體不銹鋼并不能通過熱處理強化，但其塑性高、屈強比小、加工硬化率大，通過冷加工也可提高其強度。   因而在反應堆系統(tǒng)中優(yōu)先選用奧氏體不銹鋼種，這里主要有美國ASME中的316L/304L，法國RCC-M中控氮Z2CND18-12、Z2CN19-10，德國的X6CrNiNb1810、G-X5CrNiNb189等。   5、鎳（鐵）基合金高溫下能承受一定應力并具有一定抗氧化性、耐腐蝕且合金含超過50%的金屬材料即稱為高溫合金。其中以高溫強度為主兼具耐蝕性的稱為耐熱高溫合金；而以耐蝕為主而兼有一定高溫強度的，則稱為耐蝕合金。   雖然奧氏體不銹鋼具有較高的熱強性、良好的抗氧化、抗腐蝕能力，而且焊接性能和冷、熱加工性能也比較好，但因其對應力腐蝕比較敏感所以堆內承受載荷的構件和蒸汽發(fā)生器傳熱管現(xiàn)在一般都避免采用18-8不銹鋼，而選用各種性能均優(yōu)于不銹鋼、且對應力腐蝕不敏感的鎳基合金或鐵鎳基高溫合金。   這類合金材料，Inconl-600(NC15Fe)、Inconl-690（NC30Fe）、改良Incoloy-800，下面就對這幾種鎳基合金做一簡單介紹。   更多相關信息》》》 河北：三年要修復耕地三十萬畝 中國不會拯救全球鐵礦石供應危機 土壤修復比解決吃飽更重要！ 秦朝的青銅劍VS古羅馬的鐵劍，誰會贏？刀劍真能削鐵如泥？ 影響焊接結構疲勞強度的因素清單 驚呆了，河南許昌挖出4噸古錢幣！