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哪些合金材料可以應用于核電站包殼金屬材料

合金材料在核電站中使用非常廣泛,在很多合金材料都在核電項目中使用,由于核電具有新的熱傳導條件及特殊的環境條件,如輻照或冷卻劑腐蝕等,要求所用合金材料必須能適合這些應用條件;強調合金材料的另一原因是,核電站系統比常規電站有更高的安全要求。

電熱合金

合金材料在壓水堆核島中,主要設備除反應堆及壓力容器外,還有蒸汽發生器、反應堆冷卻劑主泵機組、穩壓器及主管道等。由于這些合金材料部件在核島內的位置、作用和工況不同,故合金材料的使用要求和環境條件也不盡相同,不同程度地存在輻照或酸腐蝕等;不僅要考慮常規的一些要求,如強度、韌性、焊接性能和冷熱加工性能,而且須考慮輻照帶來的組織、性能、尺寸等變化,如晶間腐蝕、應力腐蝕、低應力脆斷、合金材料間的相容性、與介質的相容性以及經濟可行性等。

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為便于從它們的服役特點中理解每個合金材料部件的功能、選擇依據,下面將壓水反應堆核島內重要金屬部件的工況、要求以及它們的所用合金材料體系簡述如下。

合金材料包殼是指裝載燃料芯體的密封外殼。其作用是防止裂變產物逸出和避免燃料受冷卻劑的腐蝕以及有效地導出熱能,在長期運行的條件下不使放射性裂變物逸出。核電站設備主要金屬材料,合金材料最為苛刻內受裂變產物、外受冷卻劑腐蝕和溫度、壓力的作用,并受到強烈的中子輻射和冷卻劑的沖刷、振動以及內應力、熱循環(開、停堆時)應力和燃料腫脹等作用。


因而,包殼合金材料應有以下性能:熱中子吸收截面小、感生放射性小、半衰期短、強度高、塑韌性好、抗腐蝕性強、對晶間應力腐蝕和吸氫不敏感;熱強性能、熱穩定性和抗輻照性能好;導熱率高、熱膨脹系數小,與燃料和冷卻劑相容性好;易于加工、便于焊接和成本低。

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適宜作為包殼的合金材料主要有鋁及鋁合金材料、鎂合金材料、鋯合金材料和奧氏體不銹鋼以及高密度熱解碳。在壓水堆中,主要采用了鋯合金材料。這是因為其熱中子吸收截面小、導熱率高、力學性能好,具有良好的加工性能以及與二氧化鈾有較好的相容性,尤其對合金材料高溫水及水蒸汽也有良好的抗腐蝕性和熱強性。


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