我國(guó)高速發(fā)展的核電建設(shè)對(duì)鋁材的需求

上世紀(jì)50年代后期，我國(guó)就確定了大力發(fā)展原子能事業(yè)的方針，1983年提出了《核能發(fā)展技術(shù)政策要點(diǎn)》，1991年我國(guó)首座核電站——浙江海鹽秦山核電站并網(wǎng)發(fā)電。截至2020年6月，我國(guó)已建成47座核電站，裝機(jī)容量達(dá)4876×104千瓦，僅次于美國(guó)和法國(guó)。目前，有在建核電項(xiàng)目11座，位居全球第一，在2030年以前，每年將會(huì)有2座反應(yīng)堆面世。

鋁材是建設(shè)核發(fā)電站不可或缺的材料。核電建設(shè)所需的一切鋁材國(guó)內(nèi)都能生產(chǎn)。據(jù)匡算，建設(shè)一座100×104千瓦的核能發(fā)電站，生產(chǎn)裝備和生活設(shè)施建設(shè)用的鋁材采購(gòu)總質(zhì)量約1.8萬(wàn)噸，約帶動(dòng)200家以上的鋁企業(yè)直接或間接參與鋁材供應(yīng)。

核電技術(shù)介紹

利用核燃料（鈾235、鈈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(dòng)力的裝備稱為核裝備，發(fā)出的電稱為核電，是當(dāng)今三大電能之一，與火電、水電并列。核動(dòng)力裝備包括核反立堆、產(chǎn)生動(dòng)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(dòng)力裝備主要應(yīng)用于發(fā)電、艦艇推進(jìn)和空間技術(shù)。

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(wàn)千瓦的核電站每年只需30噸濃縮鈾，而同等功率的火電站每年消耗的煤卻高達(dá)250萬(wàn)噸，同時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的溫室氣體和固體廢棄物，污染環(huán)境。

人類首次實(shí)現(xiàn)核能發(fā)電是在1951年8月，美國(guó)原子能委員會(huì)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)建成了世上首座實(shí)驗(yàn)核電站，發(fā)電功率5MW。

核能發(fā)電成本相對(duì)穩(wěn)定，不易受國(guó)際經(jīng)濟(jì)形勢(shì)影響。但核電站也存在一些潛在風(fēng)險(xiǎn)，最突出的問題有兩個(gè)：一是如何解決好放射性廢料的保存和處理，放到什么地方最安全；二是如何避免核輻射事故的發(fā)生，確保萬(wàn)無(wú)一失，即使誤操作，也能保證不會(huì)發(fā)生災(zāi)難性事故。

我國(guó)核電技術(shù)的發(fā)展

我國(guó)是一個(gè)受電力短缺困擾的國(guó)家，一直在想方設(shè)法擺脫困局。在上世紀(jì)50年代中后期，我國(guó)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)展核電的建議，并開始進(jìn)行初步探索。進(jìn)入70年代，在華東建設(shè)30萬(wàn)千瓦壓水堆核電站方案獲批，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，我國(guó)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(huì)議是中國(guó)核電發(fā)展的重要里程碑，會(huì)上議定了《核能發(fā)展技術(shù)政策要點(diǎn)》，確定了以MkW級(jí)壓水堆為主、走引進(jìn)技術(shù)并逐步國(guó)產(chǎn)化道路，隨即，國(guó)務(wù)院又成立了核電領(lǐng)導(dǎo)小組；1988年，能源部組建后確定了中國(guó)第一部核電發(fā)展規(guī)劃，啟動(dòng)了全國(guó)范圍的核電站選址工作，中國(guó)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(wàn)千瓦壓水堆核電站破土動(dòng)工建設(shè)，2002年、2006年，1、2號(hào)機(jī)組相繼投入商業(yè)運(yùn)營(yíng)。

從1998年到2011年，是中國(guó)核電發(fā)展從改進(jìn)到引進(jìn)的階段，形成了CPR1000和CNP1000為代表的、具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的“第二代+”核電機(jī)型，占中國(guó)在運(yùn)行和在建核電機(jī)組的主體。在此期間，中國(guó)啟動(dòng)了第三代核電國(guó)際招標(biāo)，美國(guó)西屋電氣公司的AP1000先進(jìn)壓水堆中標(biāo)，啟動(dòng)了山東海陽(yáng)和浙江三門自主化依托項(xiàng)月，各有2臺(tái)AP1000，不久，又在廣東臺(tái)山建設(shè)有2臺(tái)從法國(guó)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(guó)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)，推出了自主三代核電技術(shù)ACP1000和ACPR1000+。前者于2014年12月通過了國(guó)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(shí)產(chǎn)權(quán)自主品牌的第三代核電技術(shù)的“華龍一號(hào)”。

“華龍一號(hào)”是國(guó)之重器，充分借鑒融合了三代核電技術(shù)的先進(jìn)設(shè)計(jì)理念以及我國(guó)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(guó)產(chǎn)率近90%，滿足全面參與國(guó)內(nèi)外核電市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)要求。

中核集團(tuán)福建福清核電有限公司 5號(hào)機(jī)組“華龍一號(hào)”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兩臺(tái)機(jī)組已于2018年前期發(fā)電，年發(fā)電量150億千瓦時(shí)；二期正在建設(shè)，也有2臺(tái)機(jī)組，年發(fā)電量165 億千瓦時(shí)。它們產(chǎn)生的環(huán)保效應(yīng)相當(dāng)于增加4萬(wàn)公頃森林。

中核集團(tuán)江蘇田灣核電基地是中國(guó)重要的核基地之一，一、二期工程投入商業(yè)運(yùn)行的有4臺(tái)機(jī)組，至2020年6月，累計(jì)發(fā)電量超2000億千瓦時(shí)，每年減排效益相當(dāng)于在長(zhǎng)江三角洲地區(qū)每年種植超過7萬(wàn)公頃森林。田彎核電5、6號(hào)機(jī)組是國(guó)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(hào)機(jī)組于2015年12月底破土動(dòng)工，6號(hào)機(jī)組于2016年9月開工建設(shè)。

浙江三門有一座全球最先進(jìn)的AP1000反應(yīng)堆，采用我國(guó)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%。AP1000反應(yīng)堆的原創(chuàng)技術(shù)是美國(guó)轉(zhuǎn)讓的。長(zhǎng)期以來，我國(guó)政府不僅投入巨資發(fā)展核電，而且為海上漂浮發(fā)電平臺(tái)使用的小型反應(yīng)堆、加速器驅(qū)動(dòng)反應(yīng)堆、核聚變電站也投入很大，預(yù)計(jì)今后二三十年內(nèi)會(huì)建成全球用于發(fā)電的首座穩(wěn)定燃燒“人造太陽(yáng)”。我國(guó)正在形成正確的核電發(fā)展模式，有著長(zhǎng)期的清潔發(fā)電目標(biāo)。

截至2020年6月，我國(guó)建成的核電站有47座，裝機(jī)容量4876萬(wàn)千瓦。2019年，中核集團(tuán)核能發(fā)電量1362.14億千瓦時(shí)，累計(jì)核能發(fā)電9690.76千瓦時(shí)，相當(dāng)于節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤38760.8萬(wàn)噸，減少CO2排放2907.06萬(wàn)噸，相當(dāng)于260萬(wàn)頃森林。在核電安全方面，65年來，中國(guó)從末發(fā)生二級(jí)及以上核安全事故，核材料保持“一克不丟、一件不少”的安全紀(jì)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)。

中國(guó)核電“走出去”成就大 前景廣闊

在對(duì)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(hào)機(jī)組、徐大堡核電3、4號(hào)機(jī)組完成全部商務(wù)合同簽署；中核集團(tuán)收購(gòu)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(guó)際聯(lián)合體成功中標(biāo)國(guó)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(yáng)”安裝“心臟”；與俄羅斯、歐洲多國(guó)深化核能合作，打開了多元化高水平開放合作的新局面。

近些年來，中國(guó)核電“走出去"步伐明顯加快，尤其是與“一帶一路”相關(guān)國(guó)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(guó)家的核電合作已取得了不少進(jìn)展。截至2018年，中核集團(tuán)向巴基斯坦出口了4臺(tái)30×104kW機(jī)組、3臺(tái)100×104kW級(jí)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(dòng)了巴基斯坦經(jīng)濟(jì)社會(huì)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(guó)的合作也有很大進(jìn)展：與阿根廷核電公司簽署了重水推和華龍一號(hào)總合同；與沙特簽署了鈾礦、釷資源合作協(xié)議，正式啟動(dòng)兩國(guó)核能全產(chǎn)業(yè)鏈合作等等。

從國(guó)際核電市場(chǎng)需求來看，據(jù)國(guó)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(tái)，其中“一帶一路”相關(guān)國(guó)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)電和光伏還少。

巴基斯坦是中國(guó)自主三代核電技術(shù)“華龍一號(hào)”出海的首站，2013年3月中核集團(tuán)與巴基斯坦原委會(huì)簽訂了卡拉奇2、3號(hào)核電項(xiàng)目“華龍一號(hào)”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(guó)就簽訂了合作建設(shè)巴基斯坦恰?，敽穗娬緟f(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(guó)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(guó)一公司達(dá)成協(xié)議，派出技術(shù)人員對(duì)美方一個(gè)AP1000核電項(xiàng)目的建設(shè)提供技術(shù)支持。這是我國(guó)第一次為發(fā)達(dá)國(guó)家建設(shè)第三代核電站提供技術(shù)支持服務(wù)。

近些年來，我國(guó)核電“走出去”節(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(guó)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(tái)。龍頭核電企業(yè)紛紛發(fā)力全球核電市場(chǎng)，向外推介核電技術(shù)，并得到廣泛認(rèn)可。

鋁材——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)算鋁材的占比并不多，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，我國(guó)用的工藝管的外徑為43 mm，內(nèi)徑41mm。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型合金；第二類是使用溫度≤400℃的中溫堆用材料，有A1﹣Ni﹣Fe系、AI﹣Si﹣Ni系合金。其中8001合金（0.45%～0.7%Fe、0.9%～1.7%Ni，其余為AI及不可避免雜質(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(shí)，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(gòu)總質(zhì)量約1.8萬(wàn)噸。

中國(guó)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型合金（0.45%～0.90% Mg、0.7%～1.2%Si，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)材料及工藝管材料，美國(guó)則以1100工藝純鋁作包殼材料，但這些材料的工作溫度≤130℃，否則應(yīng)采用AI﹣Si﹣Ni系合金。

此外，中國(guó)還用過LT 27、305、306、LT 24、167等非標(biāo)準(zhǔn)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(guó)的AI﹣Si﹣Ni系306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(guó)外有采用9%～12%Si、1%～1.5%Ni與11%Si、1.0%Ni、0.5%Fe、0.8%Mg、0.1%Ti的AI﹣Si﹣Ni系合金作元件的包殼材料，它們?cè)诟邷厮胁灰赘g，后一個(gè)合金在260℃～300℃水中的抗蝕性比8001合金的還高。此外，AI﹣Fe﹣Ni系合金也得到了應(yīng)用，這類合金的成分為（質(zhì)量%）：Ni1～5，F(xiàn)e0.3～1.5，其余為AI及不可避免的雜質(zhì)。此外，在某些特珠情況下，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工藝純鋁。

工藝管的內(nèi)外表面都經(jīng)過陽(yáng)極氧化處理為防止裝卸運(yùn)輸時(shí)表面的損傷，每根管都套以白布袋,不能用染色的布袋，以防染料滲入氧火膜內(nèi)。但有些擦劃傷總是難免的，所以裝袋前的生產(chǎn)、搬運(yùn)安裝時(shí)，宜小心翼翼。這種傷痕會(huì)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(yáng)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0.15mm～0.30mm，就不會(huì)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。

晶間腐蝕對(duì)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AI﹣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件也因其對(duì)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和使晶粒長(zhǎng)大，增大合金的晶間腐蝕敏感性。

對(duì)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)3800×10-24cm2，所以B及含B的合金是很好的屏蔽材料及控制材料，但對(duì)非屏蔽材料卻是有害的，應(yīng)嚴(yán)控。美國(guó)規(guī)定8001合金的B含量應(yīng)≤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。

為了發(fā)展中國(guó)的原子能工業(yè)與反應(yīng)堆的建設(shè)，在當(dāng)時(shí)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(gè)專門擠壓－軋制－拉拔陽(yáng)極氧化工藝管的車間，有1臺(tái)擠壓機(jī)與1條陽(yáng)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年共生產(chǎn)了53306根（352噸）工藝管，平均每根6.603kg，是用A1﹣Mg﹣Si系合金生產(chǎn)的。工藝管外徑43mm，內(nèi)徑41mm，1979年榮獲國(guó)家優(yōu)質(zhì)品銀質(zhì)獎(jiǎng)?wù)隆，F(xiàn)在建設(shè)反應(yīng)堆所需的一切鋁材中國(guó)都能生產(chǎn)。