張 強(qiáng)，王祝堂

(1.東北輕合金有限責(zé)任公司，黑龍江 哈爾濱 150060；2.中國有色金屬加工工業(yè)協(xié)會，北京 100814)

1 什么是核電

利用核燃料(鈾235、钚256、鈾233)或可聚變核氘、氚裂變反應(yīng)或核驟變反應(yīng)產(chǎn)生熱能轉(zhuǎn)為動力的裝備稱為核裝備，發(fā)出的電稱為核電，是當(dāng)今三大電之一，與火電、水電并列。核動力裝備包括核反應(yīng)堆，產(chǎn)生動力的系統(tǒng)和裝備，以及為保證設(shè)備正常運(yùn)行、人員健康和安全所需要的系統(tǒng)和設(shè)備等。

核電站反應(yīng)堆型主要有沸水堆、壓水堆、氣冷堆和快中子堆四種。核動力裝備主要應(yīng)用于發(fā)電、艦艇推進(jìn)和空間技術(shù)。核裂變技術(shù)早在1945年原子彈爆炸之前就已成熟，但1951年才用于發(fā)電，而可控的核聚變技術(shù)尚處于研發(fā)階段的中后期，首個實(shí)用核聚變反應(yīng)裝備可能還需要六七年或更長時間才能問世。

核電站(原子能發(fā)電站)是利用人為控制的緩慢裂變反應(yīng)釋放的能量發(fā)電。一座100萬kW的核電站每年只需30 t濃縮鈾，而同等功率的火電站每年消耗的煤卻高達(dá)2.5 Mt，同時釋放大量的溫室氣體和固體廢棄物，造成很大的環(huán)保壓力。

人類首次實(shí)現(xiàn)核能發(fā)電是在1951年8月，美國原子能委員會在愛達(dá)荷州一座鈉冷快中子增殖實(shí)驗(yàn)堆上進(jìn)行了世界上第一次核能發(fā)電試驗(yàn)并獲得成功。1954年，蘇聯(lián)建成了世界首座實(shí)驗(yàn)核電站，發(fā)電功率5 MW。

核能發(fā)電成本較不易受國際經(jīng)濟(jì)情勢影響，相當(dāng)穩(wěn)定。當(dāng)然，核電站也存在一些不足與不容回避的問題與潛在風(fēng)險，最突出的問題有兩個：一是如何解決好放射性廢料的保存和處理問題，放到什么地方最保險；二是如何避免核輻射事故的發(fā)生，確保萬無一失，即使誤操作，也要保證不會發(fā)生災(zāi)難性的事故。

2 中國核電技術(shù)的國內(nèi)發(fā)展

中國是一個受電力短缺困擾的國家，總在想方設(shè)法完全擺脫這種困擾，很早就開始啟航了核電夢，20世紀(jì)50年代中后期中國就確定了大力發(fā)展原子能事業(yè)的方針，相關(guān)部門提出了和平利用原子能、發(fā)展核電建議，并開始進(jìn)行初步探索，不幸的是，先后啟動的兩個核電計(jì)劃都半路夭折了。進(jìn)入20世紀(jì)70年代，在華東建設(shè)30萬kW壓水堆核電站方案被原則通過，這就是1985年開工，1991年建成投產(chǎn)的浙江海鹽秦山核電站，從此中國有了自己的核電站，結(jié)束了沒有核電站的歷史。

1983年召開的核電發(fā)展回龍觀會議是中國核電發(fā)展的重要里程碑，會上議定了《核能發(fā)展技術(shù)政策要點(diǎn)》，確定了以GW級壓水堆為主、走引進(jìn)技術(shù)并逐步國產(chǎn)化道路，稍后國務(wù)院成立了核電領(lǐng)導(dǎo)小組；1988年能源部組建后確定了中國第一部核電發(fā)展規(guī)劃，并啟動了全國范圍的核電站選址工作，中國核電進(jìn)入了規(guī)劃發(fā)展階段。1996年6月秦山二期2×60萬kW壓水堆核電站破土動工建設(shè)，2002年、2006年，1、2號機(jī)組相繼投入商業(yè)運(yùn)營。

從1998年到2011年日本福島核電站事故發(fā)生時是中國核電的改進(jìn)—引進(jìn)階段，形成了CPR 1000和CNP 1000為代表的、具有自主知識產(chǎn)權(quán)的“第二代+”核電機(jī)型，占中國在運(yùn)行的和在建的核電機(jī)組的主體。在此期間，中國啟動了第三代核電國際招標(biāo)，美國西屋電氣公司的AP 1000先進(jìn)壓水堆中標(biāo)，啟動了山東海陽和浙江三門自主化依托項(xiàng)月，各有2臺AP 1000。不久，又在廣東臺山建設(shè)有2臺從法國EPR公司引進(jìn)的第三代機(jī)組的核電廠，此外，還從加拿大和俄羅斯先后引進(jìn)了重水堆和壓水堆機(jī)組。

2011年日本福島核事件后，中國要求新建核電項(xiàng)目必須符合第三代技術(shù)安全標(biāo)準(zhǔn)，稍后推出了自主三代核電技術(shù)ACP 1000和ACPR 1000+。前者于2014年12月通過了國際原子能機(jī)構(gòu)反應(yīng)堆通用設(shè)計(jì)審核。此兩項(xiàng)技術(shù)的融合形成了自主知識產(chǎn)權(quán)自主品牌的第三代核電技術(shù)的“華龍一號”。

“華龍一號”是中國重器之一，充分借鑒融合了三代核電技術(shù)的先進(jìn)設(shè)計(jì)理念以及中國現(xiàn)有壓水堆核電站設(shè)計(jì)、建造、調(diào)試、運(yùn)行的經(jīng)驗(yàn)和最新研究成果，設(shè)備國產(chǎn)率近90%，滿足全面參與國內(nèi)外核電市場競爭要求。

中核集團(tuán)福建福清核電有限公司 5號機(jī)組“華龍一號”首爐燃料于2018年7月7日開始裝料。它采用177堆芯設(shè)計(jì)，降低了堆芯功率密度，提高了設(shè)計(jì)安全水平。廣西防城港核電站一期工程2臺機(jī)組已于2018年前期發(fā)電，發(fā)電量150億kWh/a；二期正在建設(shè)，也有2臺機(jī)組，發(fā)電量165億kWh/a。它們產(chǎn)生的環(huán)保效應(yīng)相當(dāng)于增加40 000公頃森林。

中核集團(tuán)江蘇田灣核電基地是中國重要的核基地之一，一期、二期工程投入商業(yè)運(yùn)行的有4臺機(jī)組，至2020年6月累計(jì)發(fā)電量超2 000億kWh，每年減排效益相當(dāng)于在長江三角洲地區(qū)每年種植超過7萬公頃綠色森林。田灣核電5、6號機(jī)組是國家重點(diǎn)工程、江蘇省“十三五”期間的重大投資建設(shè)項(xiàng)目。5號機(jī)組2015年12月底破土動工，6號機(jī)組2016年9月開工建設(shè)。

浙江三門有一座世界上最先進(jìn)的AP 1000反應(yīng)堆，采用中國獨(dú)創(chuàng)的防熔斷技術(shù)，與目前使用的技術(shù)相比，它的安全度理論上提高了100倍， 所需管道減少了約80%，控制電纜減少了約85%，而且僅需約1/3。AP 1000反應(yīng)堆的原創(chuàng)技術(shù)是美國轉(zhuǎn)讓的。長期以來，中國政府不僅以巨資發(fā)展核電，而且為海上漂浮發(fā)電平臺使用的小型反應(yīng)堆、加速器驅(qū)動反應(yīng)堆、核聚變電站投入了巨資，預(yù)計(jì)今后二三十年內(nèi)會建成世界上用于發(fā)電的首座穩(wěn)定燃燒“人造太陽”。中國正在形成正確的核電發(fā)展模式，有著長期的清潔發(fā)電目標(biāo)。

截至2020年6月中國建成的核電站有47座，裝機(jī)容量4876萬kW，次于美國和法國的，居世界第三，在建的11座。2019年中核集團(tuán)核能發(fā)電量1 362.14億kWh，累計(jì)核能發(fā)電9 690.76億kWh，相當(dāng)于節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤38 760. 8萬t，減少CO2排放2 907.06萬t，相當(dāng)于260萬頃森林。在核電安全方面，65年來中國從未發(fā)生二級及以上核安全事故，核材料保持“一克不丟、一件不少”的安全記錄，在工業(yè)安全中保持著領(lǐng)先地位，其經(jīng)驗(yàn)和成果也為世界核工業(yè)發(fā)展作出了突出貢獻(xiàn)。

在對外合作方面，中俄最大核能合作項(xiàng)目已進(jìn)入全面實(shí)施新階段：田灣核電7、 8號機(jī)組，徐大堡核電3、4號機(jī)組完成全部商務(wù)合同簽署；中核集團(tuán)收購納米比亞羅辛鈾礦，躋身全球前五大天然鈾供應(yīng)者；中法國際聯(lián)合體成功中標(biāo)國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆項(xiàng)目核心安裝工程，將為“人造太陽”安裝“心臟”；與俄羅斯、歐洲多國深化核能合作。打開了多元化高水平開放合作的新局面。

核能在中國2019年能源中的占比僅為3.9%，與煤炭發(fā)電占比70%相比相差甚遠(yuǎn)，中國政府已將核電作為一個戰(zhàn)略重點(diǎn)，2030年以前每年將會有2座反應(yīng)堆面世。

3 中國核電“走出去”成就大，前景廣闊

近些年來，中國核電“走出去"步伐明顯加快，尤其是與“一帶一路”相關(guān)國家和地區(qū)的合作進(jìn)展順利，中核集團(tuán)與巴基斯坦、阿根廷、沙特、加納等國的核電合作已取得不少進(jìn)展，正在健步“走出去”。截至2018年，中核集團(tuán)向巴基斯坦出口了4臺30×104kW機(jī)組、3臺100×104kW級機(jī)組，目前，中核集團(tuán)在巴基斯坦合作建設(shè)的核電項(xiàng)目總裝機(jī)容量近500×104kW，在運(yùn)裝機(jī)容量超150×104kW，有效緩解了巴基斯坦的電力供應(yīng)緊張局面，推動了巴基斯坦的經(jīng)濟(jì)建設(shè)，提升了當(dāng)?shù)孛癖姷纳钯|(zhì)量。

中核集團(tuán)與阿根廷、沙特等國的合作也有很大進(jìn)展：與阿根廷核電公司簽署了重水堆和華龍一號總合同；與沙特簽署了鈾礦、釷資源合作協(xié)議，正式啟動兩國核能全產(chǎn)業(yè)鏈合作。從國際核電市場需求來看，據(jù)國際原子能機(jī)構(gòu)統(tǒng)計(jì)，2030年前，全球?qū)⑿陆C(jī)組約200臺，其中“一帶一路”相關(guān)國家新建機(jī)組數(shù)約占80%。在全球電力供應(yīng)中，核電占比還很低，只有2%多一點(diǎn)，比風(fēng)電和光伏供應(yīng)少。

巴基斯坦是中國自主三代核電技術(shù)“華龍一號”出海的首站，2013年3月中核集團(tuán)與巴基斯坦原委會簽訂了卡拉奇2、3號核電項(xiàng)目“華龍一號”出口合同。2014年3月，相關(guān)工程開始混凝土施工。值得一提的是在1991年 12月，秦山核電站并網(wǎng)發(fā)電后僅16年，中巴兩國就簽訂了合作建設(shè)巴基斯坦恰希瑪核電站協(xié)議。1993年8月，開始施工，2000年6月13日該核電建成投產(chǎn)。

服務(wù)出口也是中國核電走出去的重要形式之一， 2012年，中方一家核電企業(yè)與美國一公司達(dá)成協(xié)議，派出技術(shù)人員對美方一個AP 1000核電項(xiàng)目的建設(shè)提供技術(shù)支持。這是中國第一次為發(fā)達(dá)國家建設(shè)第三代核電站提供技術(shù)支持服務(wù)。

近些年來，中國核電“出?！惫?jié)奏和進(jìn)程明顯加快。特別是2013年以來，隨著《服務(wù)核電企業(yè)科學(xué)發(fā)展協(xié)調(diào)工作機(jī)制實(shí)施方案》的實(shí)施，核電“走出去”上升為一項(xiàng)國家戰(zhàn)略，一系列促進(jìn)核電企業(yè)“走出去”的方向性指引措施陸續(xù)出臺。龍頭核電企業(yè)紛紛發(fā)力全球核電市場，向外推介核電技術(shù)，并得到廣泛認(rèn)可。據(jù)國際原子能機(jī)構(gòu)的數(shù)據(jù)，到2030年，全世界新建的核電機(jī)組約300臺，不過由于2020年、2021年新冠疫情的影響有可能達(dá)不到這一目標(biāo)。但毫無疑問的是，中國憑借其過硬的技術(shù)和良好的服務(wù)將在核電增量市場獲得廣闊的發(fā)展空間，前景燦爛。

4 鋁材是反應(yīng)堆的不可或缺材料

在反應(yīng)堆用的金屬材料中，按質(zhì)量計(jì)算鋁材的用量并不多，據(jù)估算約為7.5%，但卻是不可或缺的關(guān)鍵材料，如裝填核燃料的工藝管就是用Al-Mg-Si系的6063型鋁合金制造的，中國用的工藝管的外徑為43 mm，內(nèi)徑41 mm。反應(yīng)堆用鋁材可分為兩種：在100 ℃～130 ℃的低溫堆中用元件包殼及結(jié)構(gòu)材料，主要用的是工業(yè)純鋁及6063型鋁合金；第二類是使用溫度不大于400 ℃的中溫堆用材料，有Al-Ni-Fe系、Al-Si-Ni系合金。其中8001鋁合金(質(zhì)量分?jǐn)?shù)：0.45%～0.7%Fe、 0.9%～1.7%Ni，其余為Al及不可避免的雜質(zhì))曾在核電項(xiàng)目建設(shè)中獲得廣泛應(yīng)用，現(xiàn)在已列入非常用合金。此外，在建設(shè)原子能發(fā)電站的同時，還要建設(shè)相當(dāng)量的基礎(chǔ)設(shè)施與服務(wù)設(shè)施，如辦公樓房、職工住房等，筆者粗略地匡算了一下，建設(shè)一座100×104kW的原子能發(fā)電站，生產(chǎn)和生活設(shè)施建設(shè)用鋁材的采購總質(zhì)量約18 kt。

中國廣泛采用的元件包殼及結(jié)構(gòu)鋁材料見表1。蘇聯(lián)及俄羅斯采用6063型鋁合金(0.45%～0. 90% Mg、0.7%～1.2% Si(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)，其余為Al及不可避免的雜質(zhì))作壓水堆MP、NPT、BBP-M、 MNP的結(jié)構(gòu)材料及工業(yè)管材料，美國則以1100工業(yè)純鋁作包殼材料，但這些材料的工作溫度不大于130 ℃，否則應(yīng)采用Al-Si-Ni系合金。

表1 中國用的元件包殼及結(jié)構(gòu)用鋁合金Table 1 Aluminum alloy for component cladding and structure in China

此外，中國還用過LT27、 305、306、LT24、167等非標(biāo)準(zhǔn)鋁合金作為包殼材料和結(jié)構(gòu)材料。工作溫度可達(dá)400 ℃的鋁合金有：中國的Al-Si-Ni系306鋁合金，約含0.7%Si與0.65%Ni，它的熱中子吸收截面小，在中高溫水中有高的抗蝕性，室溫與高溫力學(xué)性能都相當(dāng)好，加工性能良好，可作管狀元件及板狀元件的包殼材料。

國外有采用含9%～12%Si、 1%～1.5%Ni的及含11%Si 、1.0%Ni、0.5%Fe、0.8%Mg、0.1%Ti的Al-Si-Ni系合金作元件的包殼材料，它們在高溫水中不易腐蝕，后一個合金在260 ℃～300 ℃水中的抗蝕性比8001鋁合金的還高。此外，Al-Fe-Ni系合金也得到了應(yīng)用，這類合金的成分為1%～5%Ni，0.3%～1.5%Fe，其余為Al及不可避免的雜質(zhì)。此外，在某些特殊情況下，如果作為屏蔽材料的混凝土的質(zhì)量與體積不能滿足要求，或不便使用，則除水以外，還可以用一種名為波拉爾(Boral)的厚鋁板作屏蔽；這是一種含有碳化硼的鋁合金，熱軋Boral鋁板，在其表面包覆一層1100工業(yè)純鋁。

工藝管的內(nèi)外表面都經(jīng)過陽極氧化處理為防止裝卸運(yùn)輸時表面的損傷，每根管都套以白布袋,不能用染色的布袋，以防染料滲入氧化膜內(nèi)。但有些擦劃傷總是難免的，如裝袋前的生產(chǎn)、搬運(yùn)、安裝時，宜小心翼翼。這種傷痕會加速陰極去極化反應(yīng)，也易使電位比鋁更正的重金屬在該處沉積，從而加速鋁陽極的離子溶解作用，加速腐蝕，不過損傷深度不超過一定值，例如低溫水堆用的鋁材的允許安全值為0.15 mm～0.30 mm，就不會引起異常的加速腐蝕，在低溫水堆中的應(yīng)用是安全的。中溫水堆用鋁合金的最高應(yīng)用溫度及腐蝕速度見表2。

表2 中溫水堆用鋁合金的使用溫度與腐蝕速度Table 2 Temperature and corrosion rate of aluminum alloy for warm water reactor

晶間腐蝕對堆用鋁材的危害最大，是由晶界區(qū)與基體之間的電位差引起的。因此，凡是能減少這種電位差的措施，都能提高材料抗晶間腐蝕能力。防止鋁材晶間腐蝕的有效措施是向鋁中添加一定量的Ni和Fe，使其形成電位較低的陰極相Al3Fe、Al3Ni等，這就是中、高溫堆用鋁材大都含有一定量的Fe和Ni的緣由。向Al-Mg-Si系合金中添加少量Cu也能提高合金抗晶間腐蝕的能力。合金的晶粒越細(xì)，抗晶間腐蝕能力也相應(yīng)地增強(qiáng)。熱處理?xiàng)l件也因之對合金晶間腐蝕有明顯影響。高溫退火往往使呈陰極的第二相沿晶界析出并使晶粒長大，增大合金的晶間腐蝕敏感性。

對堆用鋁合金還應(yīng)考慮微量元素的熱中子吸收截面，例如天然B的熱中子吸收截面為755×10-24cm2，而B10的竟高達(dá)3 800×10-24cm2，所以B及含B的合金是很好的屏蔽材料及控制材料，但對非屏蔽材料卻是有害的，應(yīng)嚴(yán)控。美國規(guī)定8001鋁合金的w(B)≤0.001%。一些元素的熱中子吸收截面見表3。Zr的熱中子吸收截面很小，僅0.18×10-24cm2， Ti的為 5.6×10-24cm2，可作為堆用鋁合金的微量合金化元素。

表3 一些元素的熱中子吸收截面Table 3 Thermal neutron absorption cross sections of some elements

為了發(fā)展中國的原子能工業(yè)與反應(yīng)堆的建設(shè)，在當(dāng)時的哈爾濱鋁加工廠即現(xiàn)在的東北輕合金有限責(zé)任公司建了一個專門擠壓-軋制-拉拔-陽極氧化工藝管的生產(chǎn)車間，有1臺擠壓機(jī)與1條陽極氧化生產(chǎn)線，1965年投產(chǎn)，此前需要的產(chǎn)品都從蘇聯(lián)進(jìn)口。1966年～1983年該廠共生產(chǎn)了53 306根(352 t)工藝管，平均每根6.603 kg，是用Al-Mg-Si系合金生產(chǎn)的。工藝管外徑43 mm，內(nèi)徑41 mm，1979年榮獲國家優(yōu)質(zhì)品銀質(zhì)獎?wù)隆，F(xiàn)在建設(shè)反應(yīng)堆所需的一切鋁材中國都能生產(chǎn)。