核工程材料概述

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1、核反应堆材料核反应堆材料压水堆核电站结构压水堆核电站结构 核电站原理：核裂变释放出的核能，被载热剂一回路水带出，并经过蒸汽发生器使核电站原理：核裂变释放出的核能，被载热剂一回路水带出，并经过蒸汽发生器使 二回路水变成蒸汽，蒸汽再驱动汽轮发电机组进行发电。二回路水变成蒸汽，蒸汽再驱动汽轮发电机组进行发电。 反应堆所用的各种材料在成份、工艺、组织和性能上，都比常规电站材料要求严格反应堆所用的各种材料在成份、工艺、组织和性能上，都比常规电站材料要求严格 第一章 绪论 一、一、. 堆材料在核电站中的作用堆材料在核电站中的作用 反应堆材料在核电站运行中影响反应堆的安全性和机组寿命； 反应堆材料对核电站的

2、建设速度、质量、数量和水平都起到重要的作用。 在核电站的发展和新堆型的开发中，需要材料科学的发展，以大量材料数据作为基 础，开发新材料。 首先各国反应堆运行经验表明，运行上出现的问题或故障抢修，追究其原首先各国反应堆运行经验表明，运行上出现的问题或故障抢修，追究其原 因，多半都与材料有关。因，多半都与材料有关。 其次，反应堆材料的工况比较复杂，除受温度、压力和腐蚀介质作用外，还受到中其次，反应堆材料的工况比较复杂，除受温度、压力和腐蚀介质作用外，还受到中 子辐照，由此而引起的性能恶化，对安全存在威胁。子辐照，由此而引起的性能恶化，对安全存在威胁。 第三，如果堆材料的使用性能与工况要求不相匹配或

3、者余量不足，将会使零、部件第三，如果堆材料的使用性能与工况要求不相匹配或者余量不足，将会使零、部件 失去预定服役效能而引起失效或损坏。这表明，在设计和建造反应堆过程中，每个失去预定服役效能而引起失效或损坏。这表明，在设计和建造反应堆过程中，每个 部件、每个环节都离不开材料问题。部件、每个环节都离不开材料问题。 第四，从降低成本、延长寿命和改进堆型考虑，必然涉及到合理选材、改进工艺和第四，从降低成本、延长寿命和改进堆型考虑，必然涉及到合理选材、改进工艺和 开发新材料的问题。开发新材料的问题。 第五，在核电站的定型化、第五，在核电站的定型化、 标准化、系列化和商品化的各阶段中，都需要有大量标准化、

4、系列化和商品化的各阶段中，都需要有大量 材料数据作基础材料数据作基础 二、材料结构 材料结构是指组成材料的原子（或离子、分子）相互结合的方式或构成的形式以及 结构要素按一定次序的组合、排列及相互间的各种联系。 三、材料结构的具体内容 1.组成材料的原子（或离子、分子）的构造 2.组成材料的原子（或离子、分子）间的结合 3.组成材料的原子（或离子、分子）的排列 4.材料结构内存在的缺陷 四、材料的性能 1.材料的性能是材料结构反作用于环境的能力 2.材料的性能是由材料结构所决定的 3.材料性能具有多面性 4.材料性能是可以改变的 原子晶格晶粒相组织金属材料。 1.燃料（核裂变材料）燃料（核裂变材

5、料） 压水堆核电站燃料用的是压水堆核电站燃料用的是 UO2 陶瓷材料。陶瓷材料。 耐高温耐高温 在铀的氧化物中密度最高在铀的氧化物中密度最高 抗蚀抗蚀 抗肿胀抗肿胀 燃料（核裂变材料）燃料组件燃料组件 先将先将 UO2 烧结成圆柱形芯块，再封装在锆烧结成圆柱形芯块，再封装在锆4 合金管内组成元件。合金管内组成元件。 然后将元件以然后将元件以 nn 组排方式定位在方形格架内组排方式定位在方形格架内 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（也称元件包壳）包壳材料（也称元件包壳） 燃料包壳管是反应堆的第一道安全屏

6、障。燃料包壳管是反应堆的第一道安全屏障。 作用作用: 保护燃料不受冷却剂浸蚀保护燃料不受冷却剂浸蚀 防止裂变产物进人冷却剂回路。防止裂变产物进人冷却剂回路。 包壳材料（也称元件包壳） 材料应具备下列性能：材料应具备下列性能： (1)中子吸收截面小，导热率好；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；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。热强性、热稳定性和抗辐照性能好。 PWR 元件包壳采用锆合金元件包壳采用锆合金: 中子吸收截面小中子吸收截面小 在在 300下具有优良的机械性能和抗水的腐蚀能力下具有优良的机

7、械性能和抗水的腐蚀能力 3.反应堆压力容器材料反应堆压力容器材料 压力容器是核电站的第二道安全屏障的一部分。压力容器是核电站的第二道安全屏障的一部分。 作用之一是在元件一旦破损时，保证放射性物质或气体仍保留在一回路系作用之一是在元件一旦破损时，保证放射性物质或气体仍保留在一回路系 统内。统内。 广泛采用广泛采用 MnMoNi 钢钢 A508a，为防止腐蚀，其内壁堆焊了一层或两层不锈，为防止腐蚀，其内壁堆焊了一层或两层不锈 钢里衬。钢里衬。 4.回路材料回路材料 PWR 核电站回路系统包括：反应堆、蒸汽发生器、主泵、稳定器和回路管道等核电站回路系统包括：反应堆、蒸汽发生器、主泵、稳定器和回路管道

8、等(统统 称核岛称核岛)。 一回路对反应堆安全十分重要一回路对反应堆安全十分重要,为防止破坏引起失水事故为防止破坏引起失水事故(LOCA),一回路管道材料应一回路管道材料应 满足下列要求：满足下列要求： (1)抗应力腐蚀、抗晶间腐蚀和抗均匀腐蚀能力强抗应力腐蚀、抗晶间腐蚀和抗均匀腐蚀能力强 (2)高、低温强度和塑韧性好高、低温强度和塑韧性好 (3)焊接和铸造性能好焊接和铸造性能好 二回路材料与常规电站大体相同二回路材料与常规电站大体相同 低合金钢或低合金钢或 2.25Cr-Mo 钢钢 5. 蒸发器材料蒸发器材料 蒸汽发生器结构主要由筒体、管板、水室、汽水分离器、干燥器和倒蒸汽发生器结构主要由筒

9、体、管板、水室、汽水分离器、干燥器和倒 U 形形 传热管组成。传热管组成。 U 形管是主要传热构件，多达几千根，总长约形管是主要传热构件，多达几千根，总长约 70110 公里，以备泄漏的公里，以备泄漏的 管子堵塞后，即使在寿期内有上千根停用，仍有足够的传热面积。管子堵塞后，即使在寿期内有上千根停用，仍有足够的传热面积。 因此传热管材料需具备：因此传热管材料需具备： （1）导热性能好、热膨胀系数小；）导热性能好、热膨胀系数小； （2）抗应力腐蚀能力强；）抗应力腐蚀能力强； （3）热强性、热稳定性和焊接性能良好；）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。）塑韧

10、性好，以便制管、弯管和胀管的加工。 PWR 蒸汽发生器传热管早期用蒸汽发生器传热管早期用 In-600，后改用，后改用 Incolog-800 或或 In-6906.控制材料控制材料 控制材料的特点是中子吸收截面大，如控制材料的特点是中子吸收截面大，如 B4C、Hf、Cd 等。等。 主要用作控制棒、化学控制和可燃毒物。主要用作控制棒、化学控制和可燃毒物。 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。控制材料制成的控制棒、调节棒、可燃毒物等来实现。 7.安全壳安全壳 安全壳是

11、核电站的第三道安全屏障。安全壳是核电站的第三道安全屏障。 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。持在安全壳内，不外逸污染环境。 安全壳的组装、焊接是现场进行的，而且体积庞大，焊后难以进行热处理。安全壳的组装、焊接是现场进行的，而且体积庞大，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。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安全壳材料国外多采用 SA516 和和 SA517 钢或钢或 16Mn 钢，也有采用高强度钢，也有采用高

12、强度 A543 钢的。钢的。 8.慢化材料慢化材料 目的：将裂变放出的快中子慢化成热中子，以便目的：将裂变放出的快中子慢化成热中子，以便 U235 吸收发生核裂变。吸收发生核裂变。 方法：靠非弹性碰撞降低快中子能量。方法：靠非弹性碰撞降低快中子能量。 慢化材料的特性：质量轻、中子散射截面大，所以多用轻水、重水和石墨慢化材料的特性：质量轻、中子散射截面大，所以多用轻水、重水和石墨 等。等。 9.冷却剂材料冷却剂材料 冷却剂是将核能传给二回水路水的载热剂。冷却剂是将核能传给二回水路水的载热剂。 冷却剂性能：导热好，比热大、流动性好和腐蚀性小。冷却剂性能：导热好，比热大、流动性好和腐蚀性小。 常用的

13、冷却剂：轻水、重水、常用的冷却剂：轻水、重水、He、CO2 和液体金属等。和液体金属等。 压水堆冷却剂与慢化剂合一共用轻水。压水堆冷却剂与慢化剂合一共用轻水。 10.反射材料反射材料 反射材料的作用：反射材料的作用： 减少中子损失，尽量使活性区边界逸出的中子反弹回堆芯。减少中子损失，尽量使活性区边界逸出的中子反弹回堆芯。 材料要求：中子散射截面大，吸收截面小，散射截面大，意味着与中子碰材料要求：中子散射截面大，吸收截面小，散射截面大，意味着与中子碰 撞机会多，于是中子回弹到堆芯的几率也大。撞机会多，于是中子回弹到堆芯的几率也大。 除常用的慢化剂、冷却剂可作反射层材料外，石墨、铍和氧化铍也是较好

14、除常用的慢化剂、冷却剂可作反射层材料外，石墨、铍和氧化铍也是较好 的反射材料的反射材料 11.屏蔽材料屏蔽材料 屏蔽分射线屏蔽、中子屏蔽和热屏蔽三种。屏蔽分射线屏蔽、中子屏蔽和热屏蔽三种。 射线屏蔽主要靠密度大的材料，比如铅、重混凝土可屏蔽高能射线。射线屏蔽主要靠密度大的材料，比如铅、重混凝土可屏蔽高能射线。 中子屏蔽用轻质材料，比如轻水、石墨和石蜡等。中子屏蔽用轻质材料，比如轻水、石墨和石蜡等。 热屏蔽用空心腔不锈钢弧型瓦或增厚吊栏或增大压力容器与堆芯之间的距热屏蔽用空心腔不锈钢弧型瓦或增厚吊栏或增大压力容器与堆芯之间的距 离达到隔热目的。离达到隔热目的。 七. 反应堆材料的性能要求 1.

15、机械性能机械性能 强度、塑韧性和热强性高，缺口敏感性和晶体长大倾向性小。强度、塑韧性和热强性高，缺口敏感性和晶体长大倾向性小。 2.工艺性能工艺性能 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。火脆性和二次硬化以及延迟脆性等倾向。 3.经济性经济性 工艺简单易行，原材料来源方便，制造成本低廉。工艺简单易行，原材料来源方便，制造成本低廉。 4.核性能核性能 为减少中子消耗、降低为减少中子消耗、降低 235U 的临界质量和浓度，除控制材料外，堆芯所的临界质量和浓度，除控制材料外

16、，堆芯所 有结构材料的中子吸收截面都应该小；有结构材料的中子吸收截面都应该小； 为减少放射性危害，活化截面也应该小，含长半衰期元素少，比如钴。为减少放射性危害，活化截面也应该小，含长半衰期元素少，比如钴。 5.辐照性能辐照性能 辐照效应和辐照效应和 PCI（芯块与包壳的相互作用）小；杂质和气体含量少，纯洁（芯块与包壳的相互作用）小；杂质和气体含量少，纯洁 度高以及晶粒、沉淀相和偏析小。辐照期间组织、结构应稳定，尤其度高以及晶粒、沉淀相和偏析小。辐照期间组织、结构应稳定，尤其 Cu、P、S 含量应尽量少。含量应尽量少。 6.化学性能化学性能 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。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。 7.物理性能物理性能 导热率大，热膨胀