不同堆型，其結(jié)構(gòu)和用途雖有所不同，但實(shí)現(xiàn)可控制核裂變反應(yīng)的過程是相同的，都需要燃料元件、堆內(nèi)構(gòu)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(guān)部件，以實(shí)現(xiàn)核能向熱能、熱能向電能的安全、高效率的轉(zhuǎn)化。   按照相關(guān)設(shè)備部件服役工況或使用功能的不同，核電設(shè)備可分為核一級(jí)、核二級(jí)、核三級(jí)和非核級(jí)。有核級(jí)要求的設(shè)備，一般即稱其所用材料為核電關(guān)鍵材料。   核電常用的關(guān)鍵材料大體可分為碳鋼、不銹鋼和特殊合金，若進(jìn)一步細(xì)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(yīng)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(yīng)堆發(fā)展的成熟度。因?yàn)楹穗娋哂行碌臒醾鲗?dǎo)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(yīng)用條件；強(qiáng)調(diào)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(shí)也在通過技術(shù)引進(jìn)并吸收國外先進(jìn)技術(shù)以發(fā)展先進(jìn)的第三代1000MW堆核電站。因此，本文以壓水堆核電站為例，對(duì)其不同設(shè)備的用材做一簡單介紹。   在壓水堆核島中，主要設(shè)備除反應(yīng)堆及壓力容器外，還有蒸汽發(fā)生器、反應(yīng)堆冷卻劑主泵機(jī)組、穩(wěn)壓器及主管道等。由于這些部件在核島內(nèi)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(qiáng)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(yīng)力腐蝕、低應(yīng)力脆斷、材料間的相容性、與介質(zhì)的相容性以及經(jīng)濟(jì)可行性等。   為便于從它們的服役特點(diǎn)中理解每個(gè)部件的功能、選擇依據(jù)，下面將壓水反應(yīng)堆核島內(nèi)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(chǎn)物逸出和避免燃料受冷卻劑的腐蝕以及有效地導(dǎo)出熱能，在長期運(yùn)行的條件下不使放射性裂變物逸出。   工況最為苛刻：內(nèi)受裂變產(chǎn)物、外受冷卻劑腐蝕和溫度、壓力的作用，并受到強(qiáng)烈的中子輻射和冷卻劑的沖刷、振動(dòng)以及內(nèi)應(yīng)力、熱循環(huán)(開、停堆時(shí))應(yīng)力和燃料腫脹等作用。   因而，包殼材料應(yīng)有以下性能：熱中子吸收截面小、感生放射性小、半衰期短、強(qiáng)度高、塑韌性好、抗腐蝕性強(qiáng)、對(duì)晶間應(yīng)力腐蝕和吸氫不敏感；熱強(qiáng)性能、熱穩(wěn)定性和抗輻照性能好；導(dǎo)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?yàn)槠錈嶂凶游战孛嫘?、?dǎo)熱率高、力學(xué)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(duì)高溫水及水蒸汽也有良好的抗腐蝕性和熱強(qiáng)性。       1.1.2 堆內(nèi)構(gòu)件材料   在壓水堆中除了反應(yīng)堆壓力容器和燃料組件及相關(guān)的組件以外的均為堆內(nèi)構(gòu)件如壓緊板、導(dǎo)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(dǎo)向、合理分配冷卻劑流和減少壓力容器內(nèi)表面的中子注量。   工作環(huán)境：面對(duì)活性區(qū)、受到冷卻劑沖刷和高溫、高壓作用。   堆內(nèi)構(gòu)件用材應(yīng)度具有強(qiáng)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(dǎo)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(nèi)構(gòu)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(yīng)堆回路材料壓水反應(yīng)堆的回路管道是維持和約束冷卻劑循環(huán)流動(dòng)的通道。   作用：封閉高溫、高壓和帶強(qiáng)放射性的冷卻劑、對(duì)反應(yīng)堆安全和正常運(yùn)行起保障作用。   回路管道用材料應(yīng)備具有如下性能：抗應(yīng)力腐蝕、晶間腐蝕和均勻腐蝕的能力強(qiáng)，基體組織穩(wěn)定、夾雜物少、具有足夠強(qiáng)度、塑性和熱強(qiáng)性能，鑄鍛造和焊接性能好、生產(chǎn)工藝成熟、成本低、有類似的使用經(jīng)驗(yàn)，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(yīng)堆壓力容器材料反應(yīng)堆堆壓力容器是裝載堆芯、支撐堆內(nèi)所構(gòu)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(chǎn)物逸散的功能。   對(duì)反應(yīng)堆壓力容器用材要求：強(qiáng)度高、塑韌性好、抗輻照性能和抗腐蝕性強(qiáng)、與冷卻劑相容性好；純凈度高、偏析和夾雜物少、晶粒細(xì)小、組織穩(wěn)定；易于進(jìn)行冷熱加(包括焊接和淬透性好)；成本低、高溫高壓下使用經(jīng)驗(yàn)豐富。   反應(yīng)堆壓力容器，目前國內(nèi)外廣泛采用的A508III(Gr.3C1.1)、16MND5，內(nèi)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(zhì)以產(chǎn)生蒸汽的熱交換設(shè)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(duì)一回路壓力邊界完整性有重大影響。   傳熱管在特定結(jié)構(gòu)和介質(zhì)條件下，承受高溫、高壓和管子內(nèi)外的壓差以及腐蝕、水力振動(dòng)等工況的作用，容易造成各種類型的腐蝕和應(yīng)力腐蝕破壞。   傳熱管應(yīng)具有：熱強(qiáng)性、熱穩(wěn)定性和焊接性好；基體組織穩(wěn)定、導(dǎo)熱率高、熱膨脹系數(shù)??；抗均勻腐蝕和局部腐蝕能力強(qiáng)；具有足夠的塑性和韌性以適應(yīng)彎管、脹管的加工和抗振動(dòng)。   蒸汽發(fā)器的筒體管板一般采用反應(yīng)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(yùn)作建設(shè)中，ASME體系(通用和西屋)、俄羅斯(石墨慢化反應(yīng)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(yīng)堆)體系和德國KTA體系等。不同體系的壓水堆中所用關(guān)鍵材料有所不同、但相對(duì)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(biāo)準(zhǔn)體系并未完全建立(正逐漸建立之中)，主要采用了引進(jìn)技術(shù)中所列的一些國外牌號(hào)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(jià)格便宜，通過熱處理能夠得到需要的低溫和高溫力學(xué)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(yīng)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(guān)M規(guī)范有對(duì)應(yīng)或接近的材料。而德國技術(shù)監(jiān)督協(xié)會(huì)材料公報(bào)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(biāo)準(zhǔn)系列中尚無直接對(duì)應(yīng)的牌號(hào)，僅GB/T1544-95標(biāo)準(zhǔn)(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(xué)成分要求基本相同，18MND5的強(qiáng)度上略高(這是對(duì)成分、熱處理淬火或回火參數(shù)進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)系列中未有明確對(duì)應(yīng)的牌號(hào)，只在GB/T15443-95標(biāo)準(zhǔn)附錄中引用了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的材料。   3.1.2 SA-302 Gr.C、SA-533B等   這幾種材料系A(chǔ)SME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(biāo)準(zhǔn)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(jié)構(gòu)鋼，為非列標(biāo)鋼種，是一種添加有鎳、鉻、鉬和微量鈮(鈮起細(xì)化晶粒并強(qiáng)化的作用)的細(xì)晶粒低合金鋼。該鋼有較好的綜合力學(xué)性能，有較高的高溫屈服點(diǎn)和對(duì)裂紋不敏感的特性，良好的焊接性能和工藝性能。   國內(nèi)GB713-2008標(biāo)準(zhǔn)中的13MnNiMoR為對(duì)應(yīng)鋼種。   3.2 用途   16MND5、18MND5是法式壓水堆核島設(shè)備中最為重要的受壓部件材料，應(yīng)用于反應(yīng)堆壓力容器和蒸汽發(fā)生器等部件，如反應(yīng)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(cè)人孔、穩(wěn)壓器筒節(jié)、冷卻泵主法蘭等。   ASME對(duì)應(yīng)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(gòu)件。   4、奧氏體不銹鋼在反應(yīng)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(qiáng)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(qiáng)，但卻比奧氏體不銹鋼脆性大，且不能用熱處理方式進(jìn)行強(qiáng)化；雙相不銹鋼綜合了鐵素體和馬氏體不銹鋼的特點(diǎn)，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(diǎn)。   2.馬氏體不銹鋼(不預(yù)熱而焊接、和不焊后熱處理可能產(chǎn)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(yù)熱與焊后熱處理，加之其三脆性對(duì)安全有威脅。   3.奧氏體不銹鋼雖進(jìn)行去應(yīng)力處理，但為了防止敏化增加腐蝕傾向，一般不用預(yù)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(qiáng)化，但其塑性高、屈強(qiáng)比小、加工硬化率大，通過冷加工也可提高其強(qiáng)度。   因而在反應(yīng)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(yīng)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(qiáng)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(qiáng)度的，則稱為耐蝕合金。   雖然奧氏體不銹鋼具有較高的熱強(qiáng)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(duì)應(yīng)力腐蝕比較敏感所以堆內(nèi)承受載荷的構(gòu)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(duì)應(yīng)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(duì)這幾種鎳基合金做一簡單介紹。   更多相關(guān)信息》》》 河北：三年要修復(fù)耕地三十萬畝 中國不會(huì)拯救全球鐵礦石供應(yīng)危機(jī) 土壤修復(fù)比解決吃飽更重要！ 秦朝的青銅劍VS古羅馬的鐵劍，誰會(huì)贏？刀劍真能削鐵如泥？ 影響焊接結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度的因素清單 驚呆了，河南許昌挖出4噸古錢幣！