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2019/9/171核电站材料阮於珍编著第一章概述（3学时）2019/9/172核电简史•1955年开始发展核工业主要为军用•1972年开始筹建核电站•秦山一期30万千瓦（300MW）核电站1981年11月获批准，1985年开工，1994年竣工•大亚湾100万千瓦（1000MW）核电站1982年12月批准，1987年开工，1995年竣工2019/9/173当前已运行的核电站•秦山一期—30万•秦山二期—2×65万•秦山三期—2×72.8万•大亚湾—2×100万•岭澳—2×100万•田湾—2×100万2019/9/174在建核电站•秦山二期2×65万•三门2×100万•岭澳二期2×100万•方家山2×100万•红沿河2×100万•宁德2×100万•海阳•福清•阳江•台山2019/9/1751.1材料在核电站中的重要性（材料问题的严峻性）•核电厂经济性面临的挑战•核电厂安全性面临的挑战•核电厂材料的工作条件高温，高压，温度梯度，强辐射，腐蚀2019/9/176核电厂材料的工作条件PWR•高温：290--320℃•高压：15.5MPa•温度梯度：2000--4000℃/cm•强辐射:α、β、γ、中子、裂变产物•腐蚀：腐蚀介质、水的辐照分解产物2019/9/177常用动力堆简介•BWR•PWR•HWR•LMFBR2019/9/178图1.1沸水堆电站系统2019/9/179沸水堆电站系统2019/9/1710压水堆电站系统图1.22019/9/1711压水堆电站系统2019/9/1712重水堆流程图2019/9/1713CANDU型反应堆流程图图1.32019/9/1714快堆电站系统图1.42019/9/1715池式快堆电站系统2019/9/1716回路式快堆电站系统2019/9/17171.2材料的分类2019/9/1718材料的分类1）常规岛用材料：凡是不暴露于放射性环境或一次水回路的材料都属于这一类。这类材料与一般工业用材没特殊的区别，2）反应堆核岛用材料：由于这部分材料暴露在辐射场内，存在核材料的特殊问题。（1）核燃料：a易裂变核素－任何能量中子都能引起核裂变的核素。如铀-235、铀-233、钚-239。b可转换核素是指某核素在俘获高能中子（1MeV）以后会转换为可裂变核素。如钍-232、铀-238。(2)非核燃料（又统称结构材料）：包括包壳材料，结构材料，慢化材料，冷却剂材料，反射材料，控制材料及屏蔽材料。2019/9/1719包壳材料•是指包裹核燃料的材料。包壳是燃料与冷却剂隔离的屏障；也是反应堆安全的第一道屏障。它的作用是防止燃料与冷却剂反应；防止裂变产物逃逸；保持燃料棒的完整性。•要求材料具有小的中子吸收截面、高的导热系数、强度好、韧塑性好、耐腐蚀、抗辐照、热稳定性好等。2019/9/1720结构材料•主要是指堆芯和一回路的结构材料。包括压力容器材料、管道材料、堆芯吊篮、泵、阀门、螺栓等的材料以及蒸汽发生器材料等。•这些材料不仅要求有好的强度、韧性、抗辐照、耐腐蚀还必须有最小的诱发放射性，以便维护保养和处置。2019/9/1721慢化材料和反射材料•慢化材料是指通过中子与材料原子之间的弹性碰撞来降低中子能量，使高能快中子变为能被裂变原子俘获，并激发另一次裂变的热中子的材料。•反射材料是指该材料的原子与从堆芯逃逸的中子发生碰撞后，能使从堆芯逃逸的中子无吸收地反弹回堆芯的材料。•要求与中子反应时散射截面大，吸收截面小。2019/9/1722控制材料•是一种中子吸收体，用于反应堆使其实现受控核裂变的材料。•控制材料必须有足够的强度，抗腐蚀、耐辐照、少的感生放射性、物理性能好，同时价格因素也很重要。2019/9/1723屏蔽材料•是指用于屏蔽放射线，中子或热量的材料。•屏蔽放射线要用质量大、密度大的材料，如铅、贫铀、重混凝土等；•屏蔽中子要用轻质材料，如轻水、石蜡、石墨等；•屏蔽热量要用空腔不锈钢弧形瓦或增大间距，增厚屏障层来达到。2019/9/1724对核电厂材料的要求（1）为了保证反应堆安全运行和设计寿命，各部件在服役时必须具有稳定性、完整性和可靠性，材料的性能应满足下列要求：•核性能：中子吸收截面，活化截面等•力学性能：足够的强度，韧、塑性，耐热性•物理性能：导热，热膨胀，熔点，晶体结构•化学性能：抗腐蚀性（包括SCC,氢脆等），抗高温氧化，与其他材料的相容性2019/9/17251.3核电厂主要部件用材的基本要求2019/9/1726对核电厂材料的要求•核性能：中子吸收、中子散射等•抗辐照性能：辐照导致材料的性能改变，辐照肿胀，辐照生长，氦脆，辐照诱导放射性等•抗腐蚀性能：与环境、与相邻部件材料的相容性等•物理性能：导热性，热膨胀，熔点等•机械性能：强度、塑性、韧性、蠕变、疲劳等•工艺性能：冷加工，热加工，焊接，热处理等•经济性：原材料来源方便，制造成本低，使用经验丰富2019/9/1727理想的燃料须具备以下特点（1）燃料中易裂变原子密度高，即材料中应含有高浓度的裂变（或增殖）原子，其它组合元素中不应有中子吸收截面大的原子。（2）导热性能好，即可以有高的功率密度（每单位堆芯体积的热功率高），或高的比功率（每单位质量燃料的热功率高），燃料能承受高的热流而不产生过大的温度梯度，并能使燃料中心温度保持在熔点以下。（3）熔点高，熔点以下没有相变，不会因为相变而导致熔点以下的密度、形状、尺寸及其它变化。（4）低的热膨胀系数，以保持燃料元件的尺寸稳定。（5）具有化学稳定性，与包壳材料相容，与冷却剂不发生化学反应。（6）辐照下稳定性好，即在强辐照下不会因肿胀、开裂和蠕变等引起变形而失效；机械性能（强度、韧性等）也不应在辐照下有很大的变化。（7）材料的物理和力学性能好（8）易于加工，并能经济地生产。2019/9/1728包壳材料应具备的性能（1）具有小的中子吸收截面；（2）具有良好的抗辐照损伤能力，并且在快中子辐照下不要产生强的长寿命核素。（3）具有良好的抗腐蚀性能，与燃料、冷却剂相容性好。（4）具有好的强度、塑性及蠕变性能。（5）好的导热性能及低的线膨胀系数。（6）易于加工，焊接性能好。（7）材料容易获得，成本低。2019/9/1729控制材料•控制棒是核反应堆实现可控和自持核裂变不可缺或的重要部件。对控制材料来讲，最要紧的还是中子吸收截面大，•对压水堆来说不仅要求对热中子的吸收，还要求对超热中子的吸收；同时要求保持毒物效应的时间长，含长半衰期的元素少，中子活化截面小；有足够的强度、塑性、耐腐蚀性、耐辐照；工艺性和经济性好等。2019/9/1730压力容器材料•压水堆压力容器是核反应堆安全的第二道屏障，堆容器是主冷却剂回路的一部分，主回路的可靠运行，保证着燃料组件的冷却和完整。因此压力容器是压水堆电站最关键的设备之一。•压水堆容器的设计压力为17.6MPa，设计温度350℃。作用于压力容器的载荷除此以外还有因吸收γ射线引起的热应力；各种工况变动引起的温度、压力变动及由此引起的热冲击；温度循环几百到几万次引起的热疲劳等。•对材料的要求：1）强度高、塑韧性好；2）抗辐照耐腐蚀；3）偏析与夹杂物少、晶粒细、组织稳定；4）工艺性能好（冷热加工、焊接、热处理）；5）成本低、使用经验丰富2019/9/1731反应堆冷却剂泵(主泵)材料•主泵在高温、高压下工作，壳体、叶轮、转子等虽然不直接接受中子辐照，但由于与介质接触，会造成腐蚀，由于活动部件的相互摩擦，会造成磨损，同时由于介质的循环作用，会把磨损或腐蚀的微粒带进堆芯辐照后形成放射性核素，造成很强的放射性。•对这部分材料的除了机械性能和工艺性能方面要求外，还要求抗腐蚀，不带和少带会造成长寿命核素的元素，以及对堆内性能发生干扰的元素。2019/9/1732一回路管道和阀门材料•一回路管道和阀门都处于高温高压下，是压力边界，要严防泄漏。所用的材料要耐腐蚀，不带或少带造成长寿命核素的元素，以及对堆内性能发生干扰的元素，如钴、硼等。大部分的一回路管道和阀门都采用奥氏体不锈钢制作。由于一回路管道比较大也有用低合金钢制作，内衬不锈钢的。有的公司对大直径的直管，使用离心铸造，对弯管使用静态铸造。•阀门用奥氏体不锈钢铸造或锻造，阀座的密封面堆焊司太立合金。因为司太立合金含有较多钴，它成为一回路放射性的主要来源。2019/9/1733蒸汽发生器材料•压水堆的蒸汽发生器与压力容器类似，是大型设备，主要要求能耐受高温、高压水的腐蚀。热管材料除要求耐高温、高压水的腐蚀不漏外，还要有较好的导热性能，有较好的工艺性能，如焊接、胀管等。