5-28、核电厂材料应力腐蚀基因的认识与高通量数据获取技术

张乐福^*，陈凯

上海交通大学核科学与工程学院

摘要：尽管风能、太阳能等可再生能源在近年来得到了高速发展，核电仍然是不可替代的、可大规模开发、且来源可靠的清洁能源，在我国调整能源结构中起着举足轻重的地位。到2020年，投产核电装机容量达到5800万千瓦这一“十二五”目标是可以实现的。这样，预计到2035年前后，中国将有可能超过美国，成为世界第一大核电国家。保证核电厂运行安全、降低运行维护成本、核电技术出口也成为我国面临的重大工程任务。

目前，国际上绝大部分的核电厂主要采用压水堆和沸水堆来产生热量，我国的主要反应堆型为压水堆，海洋舰船动力所用的反应堆堆型也为压水堆。相对于沸水反应堆，压水堆运行温度高、压力高，在高温高压水环境下，材料的腐蚀开裂问题，包括应力腐蚀和腐蚀疲劳，是核电厂长期运行过程中不得不面对的重大工程问题。

核电机组的运行安全、运营成本很大程度上依赖于一、二回路高温高压设备的完整性，而保证设备完整性的核心基础则是设备设计、选材、制造和运行期间水化学工况的控制。这些影响因素中，我国在引进、消化、吸收国外先进核电技术过程中，已经得到了大量的设计、选材技术。但在制造过程中如果缺乏相应的材料在高温高压水环境下的腐蚀性能关系，将会导致设备材料过早腐蚀开裂，造成较大的安全风险和经济损失。

自1969年在核电机组发现首例敏化不锈钢的应力腐蚀开裂以来，国外就一直持续对核设备在应用工况下的腐蚀开裂进行了大量的研究，美国能源部(DOE)、核管会(NRC)、电科院(EPRI)均在不同层次组织研究项目，研究反应堆材料的应力腐蚀及腐蚀疲劳问题。我国核电发展起步晚，早期建造的核电机组已经服役超过二十年，目前核岛系统及设备的应力腐蚀/腐蚀疲劳开裂问题也日益突出，已出现多起放射性泄漏事件，导致停堆或大修期延长的次数也逐年增加，严重影响对核电机组的运行安全性和经济性。

根据材料学及断裂力学理论，材料在服役环境下的裂纹萌生时间及裂纹扩展速率实测数据及数学模型是核电工程设计、设备制造、运行维护及老化管理重要的依据。然而，长期以来，我国对于核工程材料腐蚀性能的相关研究及性能评价主要采用快速评价方法。加速的方法主要是提高腐蚀介质浓度、提高温度或者加大载荷等级。例如，人们通常采用C型环或U型试样在沸腾的高浓度氯化物MgCl₂或高浓度碱性NaOH条件下研究材料的应力腐蚀开裂性能。再例如，人们还在压水堆机组实际水化学条件下采用慢应变速率拉伸的方法研究应力腐蚀开裂，等等。这些方法可以快速获得实验结果，但只能用于定性比较不同材料之间的腐蚀性能差异，其结果无法用于评估设备在实际工况下的裂纹萌生及扩展规律，也无法直接用于评估设备的使用寿命。

核电机组设备在运行工况下的应力腐蚀/腐蚀疲劳开裂与实际运行水化学控制有紧密联系。世界核电发展史上所犯最大的选材错误就是采用镍基600合金制造蒸汽发生器传热管，给世界核电业带来极其惨痛的经济损失，导致错误的原因是在选用之前未能对这种材料进行实际工况下严格的应力腐蚀性能考验，而主要依据的是快速/加速实验数据。因此，在核设备设计、安全评审阶段就迫切需要设备所选材料在实际运行工况下的腐蚀开裂数据支持。在设备制造、安装和运行维护阶段，也需要这些数据的支持，才能保证设备制造质量、避免安装调试过程导致的损伤、合理确定运行参数和安排检修计划。

经过美国通用电气(GE)公司Peter Andresen院士近四十年的研究和改进，已经成功将直流电压降(DCPD)方法应用到高温高压水环境下的应力腐蚀/腐蚀疲劳裂纹萌生时间和裂纹扩展速率的测量，并在GE公司全球研究院、西北太平洋国家实验室(PNNL)、美国海军实验室等处组建了大型的应力腐蚀研究实验室，其所得的数据非常可靠，对反应堆工程提供了重要的数据支持。

但是，由于反应堆用工程材料，例如奥氏体不锈钢、镍基合金、锆合金和低碳低合金钢等在高温高压水环境下的腐蚀裂纹萌生时间较长、裂纹扩展速率慢，机理复杂，实验的难度大，因而在全球范围内能够进行这类实验的设备少，研究人员严重不足，这样的实验数据仍然非常欠缺。

因此，我国也需要在此领域投入研究，尽快获取足够的数据，以支撑我国大规模的核电厂建设和运行。本文将介绍核电材料在高温高压水环境下的应力腐蚀数据获取技术。

关键词：应力腐蚀，腐蚀疲劳，核电，材料，高温高压水，高通量，模型

通讯作者：张乐福，电话：13524678702，Email: lfzhang@sjtu.edu.cn

DOI:10.12110/secondfmge.20181014.528