核电关键材料及我国核电应用现状与发展趋势

核电关键材料及我国核电应用现状与发展趋势摘要：自第一座核电站建成至今，核电技术在不断地发展、完善，各种核电材料不断出现并被应用。核能作为一种安全、高效、清洁的能源，备受世界各国重视。随着化石燃料的逐渐枯竭，我国作为核大国，核能发展的潜力巨大。本文主要介绍了核电关键材料及其特点以及我国核电应用现状与发展趋势。关键词：核电、材料、现状、趋势。1、 前言 1954年，世界上第一座核电站在苏联建成，经过60多年的发展，核电技术已经发展到了第四代，而核电材料是核电技术的关键，各种新型的材料不断地被应用到核电领域中，推动了核电的发展。随着我国经济水平的不断发展，能源问题越来越突出，而核能作为国际公认的目前唯一达到大规模商业应用的替代能源，在我国的能源战略中占有重要地位，在我国具有非常广阔的应用前景。截至目前，我国大陆投入商业运行的核电机组已经超过20台，此外还有多个核电站和核电机组在建，核电在我国蓬勃发展。2、 核电材料及其特点2.1裂变反应堆材料2.1.1裂变核燃料 裂变反应堆中用到的核燃料有铀、钚、钍，而铀是核电站最主要的核燃料。2.1.2包壳材料 包壳材料是指燃料芯体包壳所用的材料，要满足热中子吸收截面低、能够承受辐射损伤效应、具有一定的机械强度等要求。常见的包壳材料有铝及铝合金、镁合金、锆合金和奥氏体不锈钢以及石墨等。此外，SiC也被用于制作包壳材料。SiC包壳与水反应缓慢，与传统锆合金包壳相比，可把产生氢气的风险降低几千倍.由于SiC及SiC基复合材料具有优异的高温性能和耐辐照性能，其在核燃料元件中获得越来越广泛的应用。2.1.3慢化剂材料 慢化剂材料是能够将裂变时的快中子的能量降到热中子能量水平的材料，具有对中子散射截面大、吸收面积小以及质量数接近中子的特点。主要的慢化剂材料有氢、氘、铍、石墨和氧化锆等。2.1.4控制材料 控制材料是通过吸收中子来控制反应堆裂变的材料。常用的控制材料有铪、BC、Ag-In-Cd、硼硅酸玻璃等。2.1.5冷却剂材料冷却剂材料的作用是将堆芯产生的热量输送到用热处，具有良好的载热性能，能够承受大量中子照射而不分解。目前大多数热中子堆都使用轻水或重水作为冷却剂材料；快中子堆采用液态金属钠，而气冷堆则用CO或氦作为冷却剂材料。2.1.6反射层材料反射层材料可以防止堆芯裂变中子泄露到堆芯外部，有效利用中子，具有中子散射截面大、而吸收面积小的特点。常用的反射层材料有铍、石墨等。2.1.7屏蔽材料屏蔽材料的作用是屏蔽热中子、射线等。常见的屏蔽材料有铁、铅、重混凝土、硼钢、BC-Al复合材料等。2.1.8反应堆容器材料 反应堆容器材料需满足以下的特殊要求：应具有优良的冶金质量，即要求材质具有足够高的纯净度、致密度和均匀度；应具有适当的强度，而不是越高越好；应具有够高的塑韧性，且塑韧性越高越好；应具有优良的抗辐照脆化和耐时效老化性能；应具有优良的焊接性、冷热加工性能；与 RPV 冷却剂接触的材料应具有优良的抗腐蚀性能。常见的反应堆容器材料有高强度钢，如A-508.2.2核聚变材料2.2.1聚变核燃料 聚变核燃料主要是氘和氚。1g 的氘氚核聚变反应所释放的能量相当于约 9000L 的汽油。2.2.2氚增殖材料 氚增殖材料的基本要求：有一定的氚增殖能力，化学稳定性好，与第一壁结构和冷却剂有好的相容性，氚回收容易，残留量低。氚增殖材料主要有Al-Li合金、陶瓷型的LiO、偏铝酸锂、偏锆酸锂、液态锂铅合金、锂铍氟化物熔盐等。2.2.3中子倍增材料 中子倍增材料主要是含有铍、铅、锆等元素的化合物或合金，如ZrPb、PbO和Pb-Bi合金等。2.2.4第一壁材料 第一壁材料包括第一壁表面覆盖材料、第一壁结构材料、高热流材料和低活化材料。第一壁覆盖材料要求与等离子体相互作用性能好，主要有铍、石墨、碳化硅、碳/碳、碳/碳化硅纤维强化复合材料；第一壁结构材料要求在高温、高中子负荷下有合适的工作寿命，主要有奥氏体不锈钢、铁素体不锈钢、钒、钛、铌和钼等合金；高热流材料主要有铜合金、钼合金、锭合金以及钨、铁和石墨等；低活化材料有不含镍的铬锰奥氏体不锈钢、马氏体钢、钒合金和高纯度的碳纤维增强材料等。3、我国核电应用现状与发展趋势3.1现状简述 迄今为止，全世界共有442台核电机组在运行，装机容量达到3.36亿千瓦，核电占全世界发电总量已经连续17年稳定在16%左右，而我国已投产核电装机容量约910万千瓦，约占全国电力总装机的2%，比例很低。改革开放以来，我国经济快速发展，能源供需紧张问题日益凸显，而积极发展核电，是目前解决经济发展与能源短缺这一矛盾的最好方法。核电具有燃料消耗少、发电成本低的优势，还可以大大减少燃料的运输量。例如，一座100万kW的火电站每年耗煤三四百万t，而相同功率的核电站每年仅需铀燃料三四十t。核电的另一个很大的优势是干净、清洁，对于发展迅速、环境压力大的中国来说，是再合适不过的能源选择。 我国的核能发展起步于上个世纪七八十年代，虽然起步晚于发达国家，但发展迅速。我国第一座核电站秦山核电站于1985年开始设计建造，于1991建成并网发电。1994年，中国广东核电集团成立，与中国核工业集团共同经营和开发核能。2005国务院颁布核电中长期发展规划（20052020），提出“积极发展核电”的方针，中国核电走上了快速发展的道路。虽然2011年的日本福岛事故改变了中国核电发展的速度，但是近几年中国核电依然在以较快的速度发展。截止2015年，我国已经拥有了秦山、广东大亚湾、岭澳、田湾、宁德、辽宁红沿河、阳江等7座核电站。截止2015年，我国在建核电机组已有28台之多。截至 2014 年底，我国核电总装机容量占全国电力总装机容量的1.49%；全年累计核发电量为 1305.8 亿千瓦时，占全国电力总发电量的2.39%，同比增加了8.89%. 经过近十年的努力，我国已经建立了比较完整的核能科研体系，培养了一批高水平核科学技术研究设计队伍，拥有了较完 整的反应堆研究设施，已具有独立自主进行300、600、1000 MW 级压水堆核电站研究设计的能力。另外，我国也正积极实现第三代核电技术自主化，同时加强第四代反应堆和聚变堆研究。3.2前景展望核电作为一种高效、清洁的能源，在我国的能源体系中占据着越来越重要的地位。核电在中国具有非常广阔的前景,核电发电的规模在不断地扩大。预计到 2020 年中国电力装机总容量约为9.0亿 9.5亿kW，考虑到煤炭资源、运输能力、环境容量等承受力的制约， 中国燃煤电厂总装机容量的比例将由目前的70%下降到 61%，而核电在全国发电装机容量中的比重到2020年将达到4%，核电投运规模将达到4000万千瓦，核电年发电量达到2600亿2 800 亿千瓦时。2015年以来，国家也出台了一系列的举措，支持和推动核电在中国的发展，核电在未来的发展将更加平稳、快速。目前中国已经具备了自主研发核电机组的能力，在许多核技术方面取得了可喜的成果，未来还有更多的新的技术应用到核电的发展中。第四代核反应堆是下一代反应堆技术，燃料利用率高、安全性好是其重要的特点。2012年12月31日，中国实验快堆通过科技部验收。这标志着我国在第四代核电技术方面已达到世界先进水平。目前，我国首座第四代核电站正在建设，正在规划建设的多座核电站也拟采用第四代核电技术。另外，小型化也是中国核电的一个发展趋势。小型核反应堆具有更强的适应性，应用范围更加广阔，适合我国地域差异大的基本国情。随着我国全面小康社会发展 对能源多样性的要求增加，环境保护、可持续发展 的要求，以及核能技术的进步，在发展大型核电系统的同时，也对小型堆核能系统具有强烈的需求。另一反面，核聚变发电是未来核电技术发展的大方向，中国也正在积极探索可控核聚变技术。一旦可控核聚变技术取得重大突破并能够投入商业化运行，中国的能源问题有望完全解决。我国核电发展的另一大内容是推动核电技术装备的出口。我国是核大国，在核电技术装备研发方面取得了一系列重要成果，核电技术日趋完善。立足自身建设，积极推进“走出去”战略，将成为中国核电发展的趋势。相信在不久的将来，将会有更多的核电站出现在中国的大地上，核电在国民经济发展过程中将会发挥更加重要的作用，核电与我们的生活的联系将更加密切。4、 结论 核电材料是核电技术的关键，核电技术的发展离不开核电材料研究的支持，中国也要加大对核电关键材料研究的支持力度，推动核电自主化的发展。现如今，核电在中国能源战略中中占据了重要位置，随着国家政策的支持和新技术的应用，中国核电发展潜力巨大，前景广阔。参考文献：【1】周 军，李中奎.轻水反应堆( LW) 用包壳材料研究进展.陕西：中国材料进展，2014,33（10）：554-559.【2】刘荣正，刘马林，邵友林，刘兵.碳化硅材料在核燃料元件中的应用.重庆：材料导报，2015,（1）：1-5.【3】史丽生，王百荣.核反应堆冷却剂材料的选取分析.贵州：中国核科学技术进展报告，2011,2：266-271.【4】朱正清.现代大型反应堆压力容器材料的研制与发展.四川：核动力工程.，2011，32（S2）：1-4.【5】房俊文.浅谈核聚变能源 未来的清洁能源.四川：中国西部技术，2012,11（3）：55-56.【6】朱继平，罗派峰，徐晨曦.新能源材料技术.北京：化学工业出版社，2014.【7】李雪珍.中国核电发展现状研究.河北：产业与科技论坛,2013,12(16):132-133.【8】本刊编辑部.中国核电发展现状.陕西：西北水电，2012，（S2）：57.【9】杨波.中国核电发展现状及趋势.北京：世界环境，2014,（3）：1617.【10】薛广彬，陈雪芹.核电站的发展历程和应用前景.宁夏：科技展望，2016，（13）：100.【11】朱学蕊.核电重启的关键之年.北京：中国能源报，