核電發展與核電材料的腐蝕防護

徐玉明

(中國核能行業協會,北京 100000)

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核電設備材料防護

核電發展與核電材料的腐蝕防護

徐玉明

(中國核能行業協會,北京 100000)

綜述了經濟發展和環境保護背景下全球和中國核電的發展需求和規劃，強調了核電材料腐蝕防護的重要性。簡要概述了核島設備、常規島設備與配套子項(BOP)的服役特點和對腐蝕防護的要求。

核電站；腐蝕防護；服役環境

能源是現代文明社會發展的基礎和動力。能源消費水平，特別是電力消費水平，已經成為一個國家或者地區發展程度的重要標志。20世紀中葉以來，核能發電已經成為發達國家電力供應的主要形式之一，核電發電量占比曾經達到全球總發電量的17%以上。目前，核電仍然是國際經濟合作與發展組織(OECD)國家最大的低碳電力來源，超過OECD國家電力生產份額的21%，占美國低碳電力的比例高達63%。

安全是核電發展的生命線。核電的安全、高效發展離不開核電設備的高度可靠性。核電設備一旦失效，不僅影響核電站的正常運行，而且可能導致重大核事故的發生。有關核電設備失效行為的研究，一直是核電站研究設計中的一個重要領域，也是核電站運行維護的重大課題。由于核電站的特殊環境(高溫、高壓、強輻射，易引起設備材料發生腐蝕)，材料腐蝕是引發核電設備失效的重要原因之一。在我國核電發展進入規模化批量化的新形勢下，加強對核電材料的腐蝕與防護研究，具有特別重大的意義。

1　全球核電發展概況

迄今為止，全球能源供應和消費仍以化石能源為主，煤炭、石油、天然氣占全球能源消費總量的85%以上。不斷增長的能源消費需求，不僅為能源的可持續發展帶來嚴重挑戰，而且深刻影響了全球自然環境。全球平均氣溫的持續攀升及其引發的一系列后果，在很大程度上與現代社會化石能源的過渡消費密切相關，這個問題已經引起了國際社會的高度關注。2015年12月12日，《聯合國氣候變化框架公約》第21次締約方會議在法國巴黎閉幕，全球近200個締約方國家通過了具有歷史意義的《巴黎協議》，為人類邁向"低碳排放的綠色未來"指明了行動方向和具體道路。

按照《巴黎協議》確定的目標，要“確保將全球平均氣溫較工業化前水平升高控制在2 ℃之內，并為把升溫控制在1.5 ℃之內付出努力”。為此，各國將盡快實現溫室氣體排放不再增加；到2050年以后的某個時間點，全球人為碳排放量將降至森林和海洋能夠吸收的水平。

全球經濟發展不平衡。在少數發達國家發展速率放緩的同時，一大批發展中國家正在尋求加速發展的種種途徑。隨著社會經濟的不斷發展，對能源、特別是電力的需要將持續增長。發電需要消耗能源，而環境保護必須減少碳的排放，在兩難的雙重壓力下，核電和其他可再生能源將成為未來能源可持續發展的主要選擇。鑒于太陽能、風能間歇性供應的特點，核能發電是當前唯一能夠大規模提供無碳電力的技術。

根據世界核協會(WNA)提供的數據，截至2016年1月1日，全球共有439臺在運的核電機組，總裝機容量超過382 百萬千瓦。與2015年1月1日的數據(437臺機組、377百萬千瓦)相比，機組數量及裝機容量均有小幅回升。

美國擁有最多的核電機組，有99臺在運核電機組分布于美國30個州，核能發電量占美國總發電量的19%。法國有58臺在役核電機組，核能發電比例達到70%以上，是歐洲電力供應成本最低的國家，是世界上最大的電力輸出國。日本目前在役核電機組有43臺，受2011年3月福島核事故的影響，曾經一度提出“棄核”的主張。近年來的實踐表明，“棄核”將嚴重打擊日本的經濟發展。日本政府明確表示，將在嚴格進行安全評估的基礎上，重啟日本的核電站，目前已經有2臺機組恢復運行。

國際原子能機構(IAEA)等多家機構公布的全球未來能源供需情況的預測結果表明，在全球能源需求不斷上升及氣候變暖越來越受關注的背景下，全球核電裝機容量將繼續增長。IAEA預計，2030年全球核電裝機容量將達低值情景的435百萬千瓦和高值情景的722 百萬千瓦。同時預測，2035年全球核電裝機容量將達到578百萬千瓦，核發電量將增加至4.3萬億千瓦時，核發電量在全球總發電量中的份額約占12%。

2　中國大陸的核電發展概況

中國大陸核電從20世紀80年代起步。截至2016年4月，在役、在建核電機組總數達到55臺，分布在浙江、廣東、江蘇、遼寧、山東、福建、廣西、海南等沿海8個省區，總裝機容量5 600多萬千瓦。其中在役機組30臺，裝機容量2 800多萬千瓦；在建25臺，裝機容量2 700多萬千瓦,核電機組的概況見表1。目前，中國大陸在役核電機組已經超過韓國、俄羅斯，僅次于美國、法國、日本，列全球第四。

表1　中國大陸核電概況(截至2016年4月)

2015年，中國大陸核電發電量1 690億千瓦時，占全國總發電量的3.01%，比2014年增長29.42%。所有核電機組都保持了安全運行的良好記錄，未發生國際核事件分級(INES)表中1級及1級以上的運行事件，安全生產狀況、職業病危害防治等在所有工業行業中處于領先水平。國家環境保護部門對核電廠周圍環境連續監測的結果表明，核電廠放射性排出物的排放量遠低于國家標準限值，環境空氣吸收劑量率繼續保持在當地本底輻射水平漲落范圍之內，環境效益良好。

未來幾十年，中國核電仍有很大的發展空間。從需求側來看，2015年，中國全社會用電量5.55萬億千瓦時，人均用電量4 100千瓦時，約是2000年的4倍，是全球增長最快的國家。但是，與發達國家相比，中國人均消費水平還比較低，不到美國的40%，大約為OECD國家平均水平的一半。未來中國城鎮化比例將進一步提高，社會經濟發展對電力生產與消費的需求也將進一步增長。

從供給側來看，中國目前的能源結構很不合理，以煤炭為主的化石能源比例過高，非化石能源比例過低，已經成為中國能源結構中的突出問題。2015年，中國非化石能源比例為12%，與政府制定的“2020年非化石能源占一次消費能源的比例到15%左右”、“2030年非化石能源占比提高到20%左右”的目標有較大差距。在一次能源消費中，煤炭的比重占64.4%，超出世界平均水平的兩倍。盡快改變以煤為主的能源結構，建設綠色低碳、安全高效的現代能源體系，是中國面臨的一項緊迫而艱巨的任務。為此，必須大幅度提高可再生能源、核能和天然氣等低碳能源的占比。由于核能發電具有年運行時間長(7 500 h以上)、能量密度高、運行成本低、可大幅減少溫室氣體和污染物排放等特點，是能源綠色低碳發展的重要選擇。

根據國家能源發展規劃，2020年全國核電裝機5 800萬千瓦、在建3 000萬千瓦以上。2030年全國核電裝機將超過1.2億千瓦，核能發電量約占全社會用電量的10%。屆時，核能發電可替代煤炭近3億噸，少排放二氧化碳8億噸，成為低碳綠色能源的重要組成部分。

中國核電發展堅持“安全、高效”的方針。新建核電機組要采用國際先進核電技術，主要發展“華龍一號”、CAP1000、CAP1400等第三代核電機組，進一步提高核電的安全性、經濟性。為了切實保障核電的安全高效發展，政府要加強嚴格的、科學有效的安全監管。在全行業大力推進核安全文化建設，把安全理念落實到核電設計、建造、運行、退役的全過程，落實到核電產業鏈的所有環節，不斷提高安全水平。

3　材料腐蝕與防護研究是核電安全高效發展的重要環節

一座壓水堆核電站，有數百個系統、幾萬臺(套)設備。在核電站的高額投資中，設備費用占到將近一半。核電設備的質量與可靠性，決定了核電的安全性和經濟性。

我國核電機組以壓水堆為主，在役和在建核電機組中，壓水堆核電站占到95%以上。壓水堆核電站的設備分為核島設備、常規島設備與BOP(核電站配套子項)設備三大類。按照設備服役工況或使用功能的不同，可分為核一級、核二級、核三級和非核級。有核級要求的設備及部件，其所用材料稱為核電關鍵材料。

核島設備，特別是核島主設備，是核電站的核心。核島主設備包括反應堆壓力容器、蒸汽發生器、穩壓器、控制棒驅動機構、堆內構件、主管道、主泵等，構成了壓水堆冷卻劑回路即一回路，是防止反應堆放射性物質外泄的第一道屏障。核島主設備及部件與核安全緊密相關，可靠性要求最高。由于長期在高溫和強輻射條件下工作，對核電關鍵材料的要求也最嚴格。在材料選擇和制造過程中，不僅要考慮強度、韌性、焊接性能和冷熱加工性能等常規性能的要求，而且必須考慮輻照帶來的組織、性能、尺寸等的變化，以及材料與環境介質的相容性等。

反應堆壓力容器是裝載堆芯、支撐堆內構件和容納回路冷卻劑并維持其壓力的堆本體承壓殼體，由上、下封頭和筒體組成，具有密封放射性、阻止裂變產物逸散的功能。在核電站的整個壽期內，壓力容器是不可更換的。目前國內外廣泛采用A508III(Gr.3C1.1)和16MND5等低合金鋼作為反應堆壓力容器材料。為了防止與冷卻劑接觸產生腐蝕，在低合金鋼的內壁堆焊不銹鋼。

蒸汽發生器是將壓水堆一回路的熱能傳遞給二回路介質以產生蒸汽的熱交換設備，由簡體、管板、汽水分離器及外殼容器、傳熱管等部件組成。筒體管板采用與壓力容器相同或相近的低合金鋼材料，在一回路冷卻劑側堆焊有不銹鋼。傳熱管起一、二回路能量交換作用，對一回路壓力邊界完整性有重大影響，目前采用690、800等鎳基合金材料。傳熱管在特定結構和介質條件下，承受高溫、高壓和管子內外的壓差以及腐蝕、水力振動等工況的作用，容易造成各種類型的腐蝕特別是應力腐蝕破壞，是核電站因腐蝕導致失效實例最多的部件。

反應堆堆內構件包括壓緊板、導向筒、吊籃圍板、流量分配板、上下柵格組件等，主要起支撐燃料組件、為控制棒及堆芯測量裝置等提供支撐和導向、合理分配冷卻劑流和減少壓力容器內表面的中子注入量等作用。堆內構件面對活性區，受到冷卻劑沖刷和高溫高壓作用，通常選用強度高、塑韌性好、高溫性能好、中子吸收和中子俘獲截面小的奧氏體不銹鋼及部分鎳基合金。

反應堆一回路管道是維持和約束冷卻劑循環流動的通道，要求有優良的耐腐蝕性能、足夠的強度、塑性和熱強性能，材料的鈷含量盡量低。一回路管道材料通常選用精密鑄造的奧氏體不銹鋼或整體鍛造的奧氏體不銹鋼。

盡管核島主設備的關鍵材料有優良的綜合性能，但由于在高溫、高輻照等特殊環境中工作，因腐蝕、特別是應力腐蝕導致的設備及部件失效實例并不少見。應力腐蝕導致的設備及部件失效給核電站帶來巨大的經濟損失，也給核電安全運行帶來潛在的威脅。有核電的世界各國都投入大量經費用于開展核島主設備材料的腐蝕與防護研究工作。研究的重點包括：蒸汽發生器傳熱管的腐蝕失效，異種金屬材料焊接件的腐蝕破裂，強輻射環境中不銹鋼材料的應力腐蝕破裂，以及反應堆一回路水化學控制等。

核島主設備直接與反應堆冷卻劑接觸，腐蝕防護的主要手段是實行嚴格的一回路水化學控制。一回路水化學控制包括：加氫抑制一回路水的輻照分解，降低水中溶解氧的含量；精確調節和控制一回路水的pH，防止和減少一回路內部材料的腐蝕；加鋅抑制活化腐蝕產物在一回路管道表面的沉積，降低回路周圍空間的輻射劑量水平等。

除核島主設備外，核島安全殼系統也是核電站設備腐蝕防護研究和關注的重點。安全殼作為核電站防止放射性物質外泄的最后一道屏障，承擔重要的安全功能。目前，壓水堆核電站的安全殼有兩種結構，一種是單層安全殼，在混凝土結構的內壁襯有約6 mm的低碳鋼。另一種是雙層安全殼，外層為混凝土屏蔽構筑物，內層為低碳鋼安全殼。混凝土和鋼材表面都有保護涂層。安全殼系統用的涂料稱為核級涂料，除常規要求外，還需要有優良的抗輻照、去污、抗熱老化、以及在核電站設計基準事故下保持涂層完整性等一系列特殊要求。在非能動核電站中，安全殼涂層還要求良好的傳熱和濕潤性能。

常規島設備主要為碳鋼和低合金鋼，面臨的腐蝕問題與常規火力發電廠類同，主要差別在于核電站汽輪機的進氣為飽和蒸汽，需要更多考慮濕蒸汽侵蝕造成的影響。防護手段主要依靠二回路水化學控制，以減少與二回路介質接觸的設備和管道材料的腐蝕。同時要加強對二回路系統內各種材料腐蝕情況的監測，及時探知和發現材料損傷情況，防止事故的發生。

由于核電的高度政治敏感性，一旦發生事故，即使與核安全無關，也會在社會上產生巨大反響。日本美濱核電廠曾經發生過一起常規島管道破裂事故，高溫高壓水從管道中噴出，導致多名工作人員死傷。事故原因是碳鋼管道內側發生流動加速腐蝕(FAC)，管道壁變薄，又沒有及時發現，在高溫高壓下發生破裂。事故引發了全社會對核電安全的關注。

核電站BOP設備的腐蝕問題與其他工業設施基本相同。目前，我國核電站全都建在東南沿海地區，構筑物和設備及部件中大量使用的碳鋼材料長期在海水中浸泡，有的直接與腐蝕性大氣環境接觸，腐蝕與防護問題比較突出。采取的防護手段主要有各種涂層保護、電化學保護(如陰極保護)以及其他一些措施(如充氮和表面涂膜)等。

與發達國家相比，我國核電建設起步較晚。借助于后發優勢，我們充分借鑒了國外核電發展的經驗和教訓，有效地避免了國外曾經出現過的諸如蒸汽發生器傳熱管應力腐蝕破裂等一些典型事故。20世紀80年代以來，國內相關科研院所及核電企業，結合本身的工作任務及專業特色，開展了一系列核電關鍵材料的腐蝕與防護研究，腐蝕防護技術及核級涂料研制生產都取得了重大進展，為保障我國核電安全高效發展做出了重要貢獻。

2005年以來，在國家973計劃大力支持下，由中國科學院金屬研究所牽頭，聯合國內十幾家科研院所、高等學校、核電裝備制造企業和核電設計運行單位，系統深入地開展了核電關鍵設備材料失效行為研究，在材料失效機理研究、輻照對材料失效影響研究、腐蝕與失效行為監測和防護等許多方面取得了新的突破，培養了一批高素質的人才，形成了一批有實用價值的優秀成果，有力推進了我國核電材料的腐蝕與防護研究工作。

4　結論

當前，我國核電已經進入規模化批量化發展的新階段，成為世界上發展最快、新建機組最多的國家。設計自主化、材料國產化的第三代核電技術對機組提出了更高參數和更長設計壽命(60年)的要求，對核電材料在服役環境中的腐蝕防護研究提出了新的挑戰。與此同時，隨著我國在役核電機組服役時間的推移，機組老化及設備可靠性問題將進一步凸顯，老機組擴容延壽問題也將提上議事日程。

加強對核電設備材料腐蝕與防護問題的研究，對于保障我國核電運行安全、進一步提高核電的可利用率和經濟性、以及推進中國核電“走出去”，都具有十分重要的意義。

Nuclear Power Development and Corrosion Protection of Relevant Materials

XU Yu-ming

(China Nuclear Energy Association, Beijing 100000, China)

The requirements and development programs of nuclear power in the world and China on the background of economic development and environmental protection are reviewed. The importance of the corrosion protection of relevant materials is emphasized. The service environments and relevant corrosion protection requirements for various equipment and components in nuclear island, conventional island and balance of nuclear power plants (BOP) are briefly outlined respectively.

nuclear power plant; corrosion protection; service environment

10.11973/fsyfh-201607001

2016-05-30

徐玉明(1943-),研究員級高級工程師，從事核電發展重大問題相關研究，010-88306316,xuyuming@vip.163.com

TG172

A

1005-748X(2016)07-0523-04