5-11、核电关键材料服役行为的高通量评价与预测技术研究进展

Recent progress in high-throughput evaluation and prediction technology of in-service behavior for key materials in NPPs

薛飞¹，刘向兵¹，李正操²，张崇宏³，张涛⁴

1.苏州热工研究院有限公司 苏州 215004，2.清华大学 北京 100084

3.中国科学院近代物理研究所 兰州 730000，4.东北大学 沈阳 110819

摘要：本研究针对多环境因素下反应堆压力容器（RPV）材料与焊接接头材料服役行为评价时间周期长、成本高、难度大等现状，借助材料基因组方法，开发核电关键材料服役行为的高通量评价技术，研究核电关键材料失效规律，高效获取服役行为大数据，进而定量预测与评估核电站核心部件的服役寿命与结构完整性，实现关键部件材料的服役安全性评价并应用于核电站延寿工程实践。

在高通量计算方面，基于第一性原理分子动力学计算不同温度下原子构型及作用力数据，首次采用基于机器学习方法构建RPV模型合金作用势，并将机器学习的神经网络嵌入到lammps程序中，开展分子动力学模拟研究。采用Python调用Lammps软件方法，实现了纯Fe和FeNi合金辐照损伤计算的并发式、自动流程缺陷判定的高通量计算，为建立RPV材料辐照损伤数据库奠定基础。在腐蚀行为研究方面，自主开发考虑腐蚀闭塞物形成的点腐蚀元胞自动机模拟程序和腐蚀过程中应力计算的相场计算程序，研究晶内、晶间等各种条件下的纳微尺度腐蚀缺陷的形貌演化过程，为裂纹萌生概率和裂纹扩展模拟模型的建立提供技术输入。

在高通量实验方面，开发放射性小样品热室测试系统与高能离子加速器（HIRFL）辐照终端高通量实验装置，建立中子与离子辐照的映射关联技术，相比于传统试验，评价效率提升3倍，成本呈数量级式下降，在高通量评价平台上开展了国产RPV钢样品的高能Fe离子辐照硬化实验，取得0.18 dpa辐照损伤水平不同退火态的微硬度数据。开发焊接接头材料高温高压水环境多试样、多拉伸轴、多裂纹长度监测通道一体化SCC/环境疲劳高通量评价装置，将试验效率提升12倍，并初步开展了核电厂焊接接头材料的应力腐蚀开裂行为研究。

在数据库建设方面，构建核电材料基因工程数据库架构，规范了数据提交流程，为后续数据输入与数据挖掘提供了基础。在服役寿命预测技术研究及其示范应用方面，利用国外较权威的预测模型计算了我国低铜含量RPV钢的辐照脆化趋势，并把计算结果与反应堆的辐照监督数据进行了比较；初步确立了以灰度关联法为基础的材料应力腐蚀开裂（SCC）裂纹扩展寿命预测模型建立方法。

通过以上三方面的研究，将自主建立核电材料服役行为高通量评价技术，达成评价的高效低成本目标，项目开发的核电关键材料服役行为预测技术应用于我国核电站时限老化分析工作中的RPV 辐照脆化评估和服役缺陷扩展分析等，解决我国核电站延寿关键技术短板，指导相关标准体系的建立，深化我国核电站老化管理方法研究，切实为核电关键材料服役行为评价效率与预测结果可靠性的提升奠定了技术基础。

关键词：核电关键材料；服役行为评价；材料基因组；延寿

通讯作者：薛飞，电话：0512-68602402   13913573200，Email: xuefei@cgnpc.com.cn

DOI:10.12110/secondfmge.20181014.511