說到核電，大家都會覺得很高端，那么核電用鋼是不是也很高端呢？這要看其所用什么部位，而且不同核電站用鋼要求也不同，今天我們將從壓水堆核電站的主要設施各部位用鋼講解：核電都用什么鋼？

 

首先我們要了解一下壓水堆核電站的主要設施分布：

圖1 核電站主要設施分布圖1 安全殼；2 汽輪機發電廠房；3 燃料操作廠房；4 輔助設備廠房

 

其次，我們要了解一下核電站工藝流程：

 

圖2 核電站工藝流程圖（一回路，二回路）

圖3 核島與常規島的區別

 

壓水堆核電站的核島和常規島中，大部分部件采用鋼鐵材料。除核燃料包殼、控制棒驅動機構和蒸汽發生器傳熱管等部件采用鋯合金和鎳基合金外，其余設備均采用鋼鐵材料。下面我們從各部件開始講解核電用鋼的發展及材料性能：

 

一回路管道用鋼

 

一回路主管道是核電站正常、非正常、事故和試驗工況下，防止核反應裂變產物外泄至安全殼的重要屏障。因此，核電主管道要能夠耐高溫、耐高壓以及耐腐蝕。

 

早期核電站的部分主管道曾選用低合金鋼管，并在管內堆焊不銹鋼。之后的核電主管道普遍采用18-8型奧氏體不銹鋼，并在此基礎上不斷優化成分和生產工藝。穩定化的奧氏體不銹鋼：在18-8型不銹鋼中加入鈦（Ti）或鈮（Nb）提高耐晶間腐蝕性能，但其焊接性能不好且造成夾雜物過多，影響彎管的加工。

 

304和316奧氏體不銹鋼：304不銹鋼在18-8型奧氏體不銹鋼基礎上降低碳含量，316鋼又加入了2%的鉬（Mo），但它們在480～820℃之間長期停留仍有“敏化”的傾向。

 

超低碳304L和316L奧氏體不銹鋼：在原來的鋼種上繼續降低碳含量，獲得了優異的耐晶間腐蝕、焊接性能和加工性能，但最大的問題是強度不足。

 

第2代壓水堆核電站的一回路主管道采用的是鑄造雙相不銹鋼，在奧氏體基體中增加少量的鐵素體（12%～20%），不僅提高了材料的強度和抗熱裂性，還能夠抑制應力腐蝕的發生。但鐵素體含量不能超過20%，否則會發生較嚴重的熱老化現象。

 

第3代壓水堆AP1000核電站的一回路主管道采用整體鍛造的316LN奧氏體不銹鋼，屬于超低碳控氮奧氏體不銹鋼，是在316L的基礎上加入氮元素，既能夠提高材料的強度，同時仍保持較高的塑韌性水平。

 

反應堆壓力容器用鋼

 

反應堆壓力容器在高溫、高壓、流體沖刷和腐蝕，以及強烈的中子輻照等惡劣條件下運行，其設計壽命不低于40年且不可更換。

 

壓力容器材料必須滿足以下特殊要求：足夠高的純凈度、致密度和均勻度，適當的強度和良好的韌塑性，優良的抗輻照脆化和耐時效老化性能，優良的焊接性、冷熱加工性能以及優良的抗腐蝕性能等。

 

圖4 核反應堆示意圖

 

圖5 反應堆壓力容器剖面圖

 

圖6 反應堆壓力容器實物外觀圖

圖7 反應堆壓力容器實物外觀圖

 

壓力容器材料一般都是在工程上成熟的材料基礎上改進而成的。

 

最早的壓力容器材料選用鍋爐用碳（C）-錳（Mn）鋼A212B（鍛件為A105），隨后改用淬透性和高溫性能更好的Mn-Mo鋼A302B（鍛件為A336）。

 

20世紀60年代中期對A302B鋼添加鎳（Ni），發展出淬透性和韌性更好的Mn-Mo-Ni鋼A533B（鍛材為A508-Ⅱ鋼）。

 

A508-Ⅲ鋼在A508-Ⅱ鋼基礎上，通過降低C、鉻（Cr）、Mo含量，提高Mn含量發展而來，是目前大型壓水堆壓力容器的首選材料。

 

蒸汽發生器用鋼

 

蒸汽發生器的作用是把一回路冷卻劑從反應堆內帶出的熱量繼續傳遞給二回路介質，并使其變為蒸汽推動汽輪機發電。

 

圖8 蒸汽發生器剖面圖

 

圖9 蒸汽發生器外觀圖

 

圖10 核電站發電機組圖

 

由于要承受高溫、高壓和介質的腐蝕、磨蝕等作用，蒸汽發生器部件尤其是傳熱管對材料性能的要求很苛刻。

 

早期的核電站由于蒸汽發生器選材或加工工藝不當等發生過多起因蒸汽發生器故障而停堆的事故，如1989年法國的某1300MW核電站，1993年的美國特洛伊核電站和載恩核電站，2000年美國印第安角核電站等。

 

圖11 蒸汽發生器內的U型管

 

蒸汽發生器的外殼（包括上封頭、上筒體、下筒體以及錐形體）由鐵素體鋼板制成；U型傳熱管過去使用18-8不銹鋼，目前已廣泛采用690、800等Ni基合金；管板采用高強度低合金鋼鍛造而成，一回路冷卻劑側為不銹鋼堆焊層。

 

核級閥門

 

用鋼核級閥門在核電設備中屬于關鍵附件，連接了核電站的300多個子系統，其種類主要有閘閥、截止閥、止回閥、蝶閥、安全閥、主蒸汽隔離閥、球閥、隔膜閥、減壓閥和控制閥等。雖然核級閥門在核電站的建設成本中占比很小，但在核電站所有部件的維修成本中，核級閥門的維修成本占據了50%以上。

 

圖12 控制閥

 

核級閥門選用的材料一般需要具備良好的耐蝕性、抗輻照、抗沖擊和抗晶間腐蝕，因此在一些主系統中均采用低碳甚至超低碳奧氏體型不銹鋼做主體材料，并選用一些強度高、韌性好、耐高溫高壓、抗沖蝕和擦傷性能優越的合金材料來做閥桿或密封面等零件。

 

按照閥體材料的選擇，核島中碳鋼閥門約占41%、不銹鋼閥門約占55%、其他材料閥門僅占約4%。

 

堆內構件用鋼

 

堆內構件是指壓力容器內除燃料組件及相關部件外的全部結構部件。

 

其部件繁多、結構復雜、精度要求高，且需要承受高溫高壓、中子輻照、冷卻劑腐蝕等考驗。因此，反應堆內構件材料的選材原則一般為：強度適當高、塑韌性好、能抗沖擊和抗疲勞；中子吸收界面和中子俘獲截面以及感生放射性小；抗輻照、耐腐蝕并與冷卻劑相容性好；熱膨脹系數小；良好的焊接和機加工工藝性能。

 

第2代壓水堆核電站的堆內主體結構材料一般是奧氏體不銹鋼，如304L、304LN、321、347、310，螺栓類材料為316LN、321H不銹鋼，某些特殊件采用了馬氏體不銹鋼，如壓緊彈簧的1Cr13。

 

第3代壓水堆AP1000核電站，其功率更大、壽命更長，對堆內構件的成分和性能要求更嚴。其主體結構材料選用鍛造的F304和F304H奧氏體不銹鋼，壓緊彈簧采用改進型的403馬氏體不銹鋼。

 

 

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