RO《核电厂材料学》第1部分(序言)

1序言授课人：日期：中电投高级培训中心主要内容1.1核电厂材料学问题

1.3反应堆材料体系要求了解核电历史及核电厂的材料问题1)2)了解核电厂材料面临的环境3)了解核电厂的系统和组成，BWR、PWR、HWR、FBR了解核电厂的材料分类4)了解压水堆电厂主要部件用材及要求5)1.1核电厂材料学问题132质量数质子数中子数=质量数-质子数核子安全壳辅助厂房汽轮机厂房辅助厂房应急柴油机厂房燃料管理区放射性废物库AP1000核电厂压水堆PWR核电站工况高温、高压、腐蚀性水介质、辐照、振动、疲劳、磨损、冲刷PWR核电站部件材料工程材料都是脆弱的容易受到使用环境的破坏疲劳低温脆化高温蠕变腐蚀、应力腐蚀、冲刷腐蚀、……磨损每种材料都有其最适合的应用环境低碳钢：韧性好、可焊性好、价格低；但不耐腐蚀不锈钢：耐腐蚀性好；但成本高……核电站材料问题电站60年长寿命周期内核设备的完整性、可靠性建造、运行上出现的问题多半与材料有关；国内：秦山二期压力容器、田湾蒸汽发生器…国外：Davis-Besse封头腐蚀，南Texas下部仪表管腐蚀…工况复杂：温度、压力、中子辐照、震动、流体冲刷等；腐蚀产物释放：停堆剂量异种材料：焊接、电偶腐蚀、应力腐蚀开裂设计时，堆材料的使用性能需与工况要求相互匹配，并留有充足余量，需要通过合理选材、改进工艺或开发新材料，以降低成本、延长寿命和改进堆型。在核电站的定型化、标准化、系列化和商品化的各阶段中，都需要有大量材料数据作基础。元素周期表Davis-Besse上封头腐蚀－位置Davis-Besse上封头腐蚀－简介Davis-Besse上封头腐蚀－腐蚀情况

Davis-Besse上封头腐蚀时间序列辐射剂量监督历史数据上封头出现硼酸结晶(10RFO)腐蚀产物和溶液漏出(12RFO)蒸发器传热管的损伤SGPb-SCCSG蒸发Pb浓缩在SCC处沉积诱发裂纹扩展堆芯围板螺栓断裂典型900MW-PWR堆芯围板工况:吊篮桶体:10dpa,T=300-330℃围板:80-100dpa,T=370℃围板螺栓:70dpa,300℃异种金属焊接处SCC冷却剂泵螺栓的冲刷腐蚀日本美滨核电站高压加热器爆管事故

反应堆材料的性能要求-1(1)核性能为减少中子消耗、降低235U的临界质量(堆芯临界尺寸)和浓度(富集度)，除控制材料外，堆芯所有结构材料的中子吸收截面都应该尽可能地小；为减少放射性危害，制造反应堆的材料活化截面也应该尽可能小，含长半衰期元素少，如Co。抗辐照，损伤截面小，产气(He、H等)截面小(2)辐照稳定性辐照期间组织、结构应稳定，脆化、肿胀等辐照效应和PCI（芯块与包壳的相互作用）小；杂质和气体合量少，纯洁度高，尤其Cu、P、S含量应尽量少，成分偏析小；晶粒和沉淀强化相要细小稳定。反应堆材料的性能要求-2（3）机械性能强度、塑韧性和热强性高缺口敏感性、低温脆性抗疲劳、耐磨损……（4）化学性能抗腐蚀、抗高温氧化能力强；点腐蚀、晶间腐蚀和应力腐蚀倾向性小。……（5）物理性能导热率大，热膨胀系数小；……反应堆材料的性能要求-3(6)工艺性能冶炼、铸造、煅压、冷加工和焊接性能都应良好；淬透性大，无时效、回火脆性和二次硬化以及延迟脆性等倾向……(7)经济性工艺简单易行，原材料来源方便，制造成本低廉。在满足上述要求基础上，应优先选用工艺成熟，使用经验丰富的材料。1.3反应堆材料体系反应堆材料体系核燃料包壳材料控制材料堆内构件材料压力容器材料回路管道材料蒸汽发生器材料安全壳材料冷却剂慢化、反射与屏蔽材料高熔点

UO2等陶瓷耐强辐照材料

锆合金、不锈钢、镍基合金压力边界材料

低碳钢、不锈钢、镍基合金(1)燃料（核裂变材料）压水堆核电站燃料用的是UO2陶瓷型材料。耐高温并在铀的氧化物中密度最高、抗蚀和抗肿胀性能也比较好

陶瓷性质的结构可以保持大部分的裂变产物，形成防止放射性物质外漏的第一道安全屏障。燃料组件

先将UO2烧结成圆柱形芯块，再封装在锆合金(如锆－4合金、M5等)管内组成元件。然后将元件以n×n阵列方式定位排列在方形格架内，组成燃料组件反应堆的裂变场所，即活性区就是由许许多多燃料组件排列而成(2)包壳材料燃料包壳管是反应堆的第二道安全屏障。作用:支撑、保护燃料不受冷却剂浸蚀防止裂变产物进入冷却剂回路。材料应具备下列性能：(1)中子吸收截面小，导热率好；(2)强度高，塑韧性好，耐蚀性强、对应力腐蚀不敏感；(3)热强性、热稳定性和抗辐照性能好。PWR燃料元件包壳一般都采用锆合金:Zr-4，M5、Zirlo中子吸收截面小在350℃下具有优良的机械性能和抗水腐蚀能力

(3)反应堆压力容器材料压力容器及一回路压力边界是核电站的第三道安全屏障。保持一回路系统压力，防止冷却剂沸腾；在燃料元件一旦破损时，保证放射性物质或气体仍保留在一回路系统内。广泛采用MnMoNi钢，如A508-Cl.3(16MND5)、A533gradeB为防止腐蚀，与冷却剂接触的内壁堆焊了两层(共5~6mm)奥氏体不锈钢里衬(308L/309L)。(4)回路材料PWR核电站回路系统包括：反应堆、蒸汽发生器、主泵、稳压器和回路管道等（统称核岛）。一回路对反应堆安全十分重要，为防止破坏引起失水事故（LOCA），一回路管道材料应满足下列要求：抗应力腐蚀、晶间腐蚀、均匀腐蚀、冲刷腐蚀能力强；高、低温强度和塑韧性好；焊接和铸造性能好。一回路管道材料大量使用奥氏体、或双相不锈钢耐应力腐蚀开裂焊接端抗热裂纹能力强德国核电站主管道选用低碳钢管，内衬不锈钢防腐层与压力容器类似可防止异种材料焊接裂纹

(5)蒸发器材料

蒸汽发生器结构主要由筒体、管板、水室、汽水分离器、干燥器和倒U形传热管组成。U形管是主要传热构件，多达几千根，总长约70－110公里，设计时留有足够的堵管裕量，即使寿期内有上千根停用，仍有足够的传热面积。传热管材料需具备：（1）导热性能好、热膨胀系数小；（2）抗应力腐蚀能力强；（3）热强性、热稳定性和焊接性能良好；（4）塑韧性好，以便制管、弯管和胀管的加工。蒸汽发生器传热管用镍基合金早期用304L、600MA后用690TT、600TT、800喷丸

(6)控制材料

控制材料的特点是中子吸收截面大，如硼B-10、铪Hf、镉Cd等。主要用作控制棒和可燃毒物。反应堆的功率调节、后备反应性的储备以及开堆、停堆等都需要用控制材料制成的控制棒、调节棒、可燃毒物等来实现。

(7)安全壳材料安全壳是核电站的第四道安全屏障。目的：防止当发生强烈地震或失水等严重事故时，保证放射性物质全部保持在安全壳内，不外逸污染环境。防止外界自然力或人为原因损坏反应堆或威胁反应堆安全安全壳的体积庞大，其组装、焊接是现场进行的，焊后难以进行热处理。要求材料焊接性能好、杂质少、强度高，塑韧性好。安全壳材料国外多采用SA516和SA517钢或16Mn钢。也有采用高强度A543钢的AP1000反应堆用SA-738-B钢(0.2C,0.9-1.5Mn,0.6Ni,0.3Cr,0.15-0.55Si,<0.35Cu,<0.03P,<0.03S,.....)

(8)慢化材料目的：将裂变放出的快中子慢化成热中子，以便235U吸收发生核裂变(因为235U吸收慢中子发生裂变的效率比快中子要高很多)。方法：靠非弹性碰撞降低快中子能量。慢化材料的特性：原子质量轻、中子散射截面大、吸收截面小轻水、重水和石墨(9)冷却剂材料

冷却剂是将核裂变能导出堆芯的载热剂。冷却剂性能：导热性好，比热容大、流动性好和腐蚀性小。常用的冷却剂：轻水、重水He、CO2液体金属如钠、钠钾合金、铅铋合金等现代发展起来的还有熔盐等。压水堆的冷却剂与慢化剂功能合一都用轻水或重水。

(10)反射与屏蔽材料反射材料

在反应堆中的作用:减少中子损失，尽量使活性区边界逸出的中子被反弹回堆芯。材料要求：原子量小、中子散射截面大，吸收截面小。散射截面大，意味着与中子碰撞机会