能源是现代文明社会发展的基础和动力。能源消费水平,特别是电力消费水平,已经成为一个国家或者地区发展程度的重要标志。20世纪中叶以来,核能发电已经成为发达国家电力供应的主要形式之一,核电发电量占比曾经达到全球总发电量的17%以上。目前,核电仍然是国际经济合作与发展组织(OECD)国家最大的低碳电力来源,超过OECD国家电力生产份额的21%,占美国低碳电力的比例高达63%。

安全是核电发展的生命线。核电的安全、高效发展离不开核电设备的高度可靠性。核电设备一旦失效,不仅影响核电站的正常运行,而且可能导致重大核事故的发生。有关核电设备失效行为的研究,一直是核电站研究设计中的一个重要领域,也是核电站运行维护的重大课题。由于核电站的特殊环境(高温、高压、强辐射,易引起设备材料发生腐蚀),材料腐蚀是引发核电设备失效的重要原因之一。在我国核电发展进入规模化批量化的新形势下,加强对核电材料的腐蚀与防护研究,具有特别重大的意义。

1 全球核电发展概况

迄今为止,全球能源供应和消费仍以化石能源为主,煤炭、石油、天然气占全球能源消费总量的85%以上。不断增长的能源消费需求,不仅为能源的可持续发展带来严重挑战,而且深刻影响了全球自然环境。全球平均气温的持续攀升及其引发的一系列后果,在很大程度上与现代社会化石能源的过渡消费密切相关,这个问题已经引起了国际社会的高度关注。2015年12月12日,《联合国气候变化框架公约》第21次缔约方会议在法国巴黎闭幕,全球近200个缔约方国家通过了具有历史意义的《巴黎协议》,为人类迈向"低碳排放的绿色未来"指明了行动方向和具体道路。

按照《巴黎协议》确定的目标,要“确保将全球平均气温较工业化前水平升高控制在2℃之内,并为把升温控制在1.5℃之内付出努力”。为此,各国将尽快实现温室气体排放不再增加;到2050年以后的某个时间点,全球人为碳排放量将降至森林和海洋能够吸收的水平。

全球经济发展不平衡。在少数发达国家发展速率放缓的同时,一大批发展中国家正在寻求加速发展的种种途径。随着社会经济的不断发展,对能源、特别是电力的需要将持续增长。发电需要消耗能源,而环境保护必须减少碳的排放,在两难的双重压力下,核电和其他可再生能源将成为未来能源可持续发展的主要选择。鉴于太阳能、风能间歇性供应的特点,核能发电是当前唯一能够大规模提供无碳电力的技术。

根据世界核协会(WNA)提供的数据,截至2016年1月1日,全球共有439台在运的核电机组,总装机容量超过382百万千瓦。与2015年1月1日的数据(437台机组、377百万千瓦)相比,机组数量及装机容量均有小幅回升。

美国拥有最多的核电机组,有99台在运核电机组分布于美国30个州,核能发电量占美国总发电量的19%。法国有58台在役核电机组,核能发电比例达到70%以上,是欧洲电力供应成本最低的国家,是世界上最大的电力输出国。日本目前在役核电机组有43台,受2011年3月福岛核事故的影响,曾经一度提出“弃核”的主张。近年来的实践表明,“弃核”将严重打击日本的经济发展。日本政府明确表示,将在严格进行安全评估的基础上,重启日本的核电站,目前已经有2台机组恢复运行。

国际原子能机构(IAEA)等多家机构公布的全球未来能源供需情况的预测结果表明,在全球能源需求不断上升及气候变暖越来越受关注的背景下,全球核电装机容量将继续增长。IAEA预计,2030年全球核电装机容量将达低值情景的435百万千瓦和高值情景的722百万千瓦。同时预测,2035年全球核电装机容量将达到578百万千瓦,核发电量将增加至4.3万亿千瓦时,核发电量在全球总发电量中的份额约占12%。

2 中国大陆的核电发展概况

中国大陆核电从20世纪80年代起步。截至2016年4月,在役、在建核电机组总数达到55台,分布在浙江、广东、江苏、辽宁、山东、福建、广西、海南等沿海8个省区,总装机容量5 600多万千瓦。其中在役机组30台,装机容量2 800多万千瓦;在建25台,装机容量2 700多万千瓦,核电机组的概况见表1。目前,中国大陆在役核电机组已经超过韩国、俄罗斯,仅次于美国、法国、日本,列全球第四。

表1 中国大陆核电概况(截至2016年4月)

Tab.1 Survey of nuclear power plants in China Mainland

2015年,中国大陆核电发电量1 690亿千瓦时,占全国总发电量的3.01%,比2014年增长29.42%。所有核电机组都保持了安全运行的良好记录,未发生国际核事件分级(INES)表中1级及1级以上的运行事件,安全生产状况、职业病危害防治等在所有工业行业中处于领先水平。国家环境保护部门对核电厂周围环境连续监测的结果表明,核电厂放射性排出物的排放量远低于国家标准限值,环境空气吸收剂量率继续保持在当地本底辐射水平涨落范围之内,环境效益良好。

未来几十年,中国核电仍有很大的发展空间。从需求侧来看,2015年,中国全社会用电量5.55万亿千瓦时,人均用电量4 100千瓦时,约是2000年的4倍,是全球增长最快的国家。但是,与发达国家相比,中国人均消费水平还比较低,不到美国的40%,大约为OECD国家平均水平的一半。未来中国城镇化比例将进一步提高,社会经济发展对电力生产与消费的需求也将进一步增长。

从供给侧来看,中国目前的能源结构很不合理,以煤炭为主的化石能源比例过高,非化石能源比例过低,已经成为中国能源结构中的突出问题。2015年,中国非化石能源比例为12%,与政府制定的“2020年非化石能源占一次消费能源的比例到15%左右”、“2030年非化石能源占比提高到20%左右”的目标有较大差距。在一次能源消费中,煤炭的比重占64.4%,超出世界平均水平的两倍。尽快改变以煤为主的能源结构,建设绿色低碳、安全高效的现代能源体系,是中国面临的一项紧迫而艰巨的任务。为此,必须大幅度提高可再生能源、核能和天然气等低碳能源的占比。由于核能发电具有年运行时间长(7 500h以上)、能量密度高、运行成本低、可大幅减少温室气体和污染物排放等特点,是能源绿色低碳发展的重要选择。

根据国家能源发展规划,2020年全国核电装机5 800万千瓦、在建3 000万千瓦以上。2030年全国核电装机将超过1.2亿千瓦,核能发电量约占全社会用电量的10%。届时,核能发电可替代煤炭近3亿吨,少排放二氧化碳8亿吨,成为低碳绿色能源的重要组成部分。

中国核电发展坚持“安全、高效”的方针。新建核电机组要采用国际先进核电技术,主要发展“华龙一号”、CAP1000、CAP1400等第三代核电机组,进一步提高核电的安全性、经济性。为了切实保障核电的安全高效发展,政府要加强严格的、科学有效的安全监管。在全行业大力推进核安全文化建设,把安全理念落实到核电设计、建造、运行、退役的全过程,落实到核电产业链的所有环节,不断提高安全水平。

3 材料腐蚀与防护研究是核电安全高效发展的重要环节

一座压水堆核电站,有数百个系统、几万台(套)设备。在核电站的高额投资中,设备费用占到将近一半。核电设备的质量与可靠性,决定了核电的安全性和经济性。

我国核电机组以压水堆为主,在役和在建核电机组中,压水堆核电站占到95%以上。压水堆核电站的设备分为核岛设备、常规岛设备与BOP(核电站配套子项)设备三大类。按照设备服役工况或使用功能的不同,可分为核一级、核二级、核三级和非核级。有核级要求的设备及部件,其所用材料称为核电关键材料。

核岛设备,特别是核岛主设备,是核电站的核心。核岛主设备包括反应堆压力容器、蒸汽发生器、稳压器、控制棒驱动机构、堆内构件、主管道、主泵等,构成了压水堆冷却剂回路即一回路,是防止反应堆放射性物质外泄的第一道屏障。核岛主设备及部件与核安全紧密相关,可靠性要求最高。由于长期在高温和强辐射条件下工作,对核电关键材料的要求也最严格。在材料选择和制造过程中,不仅要考虑强度、韧性、焊接性能和冷热加工性能等常规性能的要求,而且必须考虑辐照带来的组织、性能、尺寸等的变化,以及材料与环境介质的相容性等。

反应堆压力容器是装载堆芯、支撑堆内构件和容纳回路冷却剂并维持其压力的堆本体承压壳体,由上、下封头和筒体组成,具有密封放射性、阻止裂变产物逸散的功能。在核电站的整个寿期内,压力容器是不可更换的。目前国内外广泛采用A508III(Gr.3C1.1)和16MND5等低合金钢作为反应堆压力容器材料。为了防止与冷却剂接触产生腐蚀,在低合金钢的内壁堆焊不锈钢。

蒸汽发生器是将压水堆一回路的热能传递给二回路介质以产生蒸汽的热交换设备,由简体、管板、汽水分离器及外壳容器、传热管等部件组成。筒体管板采用与压力容器相同或相近的低合金钢材料,在一回路冷却剂侧堆焊有不锈钢。传热管起一、二回路能量交换作用,对一回路压力边界完整性有重大影响,目前采用690、800等镍基合金材料。传热管在特定结构和介质条件下,承受高温、高压和管子内外的压差以及腐蚀、水力振动等工况的作用,容易造成各种类型的腐蚀特别是应力腐蚀破坏,是核电站因腐蚀导致失效实例最多的部件。

反应堆堆内构件包括压紧板、导向筒、吊篮围板、流量分配板、上下栅格组件等,主要起支撑燃料组件、为控制棒及堆芯测量装置等提供支撑和导向、合理分配冷却剂流和减少压力容器内表面的中子注入量等作用。堆内构件面对活性区,受到冷却剂冲刷和高温高压作用,通常选用强度高、塑韧性好、高温性能好、中子吸收和中子俘获截面小的奥氏体不锈钢及部分镍基合金。

反应堆一回路管道是维持和约束冷却剂循环流动的通道,要求有优良的耐腐蚀性能、足够的强度、塑性和热强性能,材料的钴含量尽量低。一回路管道材料通常选用精密铸造的奥氏体不锈钢或整体锻造的奥氏体不锈钢。

尽管核岛主设备的关键材料有优良的综合性能,但由于在高温、高辐照等特殊环境中工作,因腐蚀、特别是应力腐蚀导致的设备及部件失效实例并不少见。应力腐蚀导致的设备及部件失效给核电站带来巨大的经济损失,也给核电安全运行带来潜在的威胁。有核电的世界各国都投入大量经费用于开展核岛主设备材料的腐蚀与防护研究工作。研究的重点包括:蒸汽发生器传热管的腐蚀失效,异种金属材料焊接件的腐蚀破裂,强辐射环境中不锈钢材料的应力腐蚀破裂,以及反应堆一回路水化学控制等。

核岛主设备直接与反应堆冷却剂接触,腐蚀防护的主要手段是实行严格的一回路水化学控制。一回路水化学控制包括:加氢抑制一回路水的辐照分解,降低水中溶解氧的含量;精确调节和控制一回路水的pH,防止和减少一回路内部材料的腐蚀;加锌抑制活化腐蚀产物在一回路管道表面的沉积,降低回路周围空间的辐射剂量水平等。

除核岛主设备外,核岛安全壳系统也是核电站设备腐蚀防护研究和关注的重点。安全壳作为核电站防止放射性物质外泄的最后一道屏障,承担重要的安全功能。目前,压水堆核电站的安全壳有两种结构,一种是单层安全壳,在混凝土结构的内壁衬有约6mm的低碳钢。另一种是双层安全壳,外层为混凝土屏蔽构筑物,内层为低碳钢安全壳。混凝土和钢材表面都有保护涂层。安全壳系统用的涂料称为核级涂料,除常规要求外,还需要有优良的抗辐照、去污、抗热老化、以及在核电站设计基准事故下保持涂层完整性等一系列特殊要求。在非能动核电站中,安全壳涂层还要求良好的传热和湿润性能。

常规岛设备主要为碳钢和低合金钢,面临的腐蚀问题与常规火力发电厂类同,主要差别在于核电站汽轮机的进气为饱和蒸汽,需要更多考虑湿蒸汽侵蚀造成的影响。防护手段主要依靠二回路水化学控制,以减少与二回路介质接触的设备和管道材料的腐蚀。同时要加强对二回路系统内各种材料腐蚀情况的监测,及时探知和发现材料损伤情况,防止事故的发生。

由于核电的高度政治敏感性,一旦发生事故,即使与核安全无关,也会在社会上产生巨大反响。日本美滨核电厂曾经发生过一起常规岛管道破裂事故,高温高压水从管道中喷出,导致多名工作人员死伤。事故原因是碳钢管道内侧发生流动加速腐蚀(FAC),管道壁变薄,又没有及时发现,在高温高压下发生破裂。事故引发了全社会对核电安全的关注。

核电站BOP设备的腐蚀问题与其他工业设施基本相同。目前,我国核电站全都建在东南沿海地区,构筑物和设备及部件中大量使用的碳钢材料长期在海水中浸泡,有的直接与腐蚀性大气环境接触,腐蚀与防护问题比较突出。采取的防护手段主要有各种涂层保护、电化学保护(如阴极保护)以及其他一些措施(如充氮和表面涂膜)等。

与发达国家相比,我国核电建设起步较晚。借助于后发优势,我们充分借鉴了国外核电发展的经验和教训,有效地避免了国外曾经出现过的诸如蒸汽发生器传热管应力腐蚀破裂等一些典型事故。20世纪80年代以来,国内相关科研院所及核电企业,结合本身的工作任务及专业特色,开展了一系列核电关键材料的腐蚀与防护研究,腐蚀防护技术及核级涂料研制生产都取得了重大进展,为保障我国核电安全高效发展做出了重要贡献。

2005年以来,在国家973计划大力支持下,由中国科学院金属研究所牵头,联合国内十几家科研院所、高等学校、核电装备制造企业和核电设计运行单位,系统深入地开展了核电关键设备材料失效行为研究,在材料失效机理研究、辐照对材料失效影响研究、腐蚀与失效行为监测和防护等许多方面取得了新的突破,培养了一批高素质的人才,形成了一批有实用价值的优秀成果,有力推进了我国核电材料的腐蚀与防护研究工作。

4 结论

当前,我国核电已经进入规模化批量化发展的新阶段,成为世界上发展最快、新建机组最多的国家。设计自主化、材料国产化的第三代核电技术对机组提出了更高参数和更长设计寿命(60年)的要求,对核电材料在服役环境中的腐蚀防护研究提出了新的挑战。与此同时,随着我国在役核电机组服役时间的推移,机组老化及设备可靠性问题将进一步凸显,老机组扩容延寿问题也将提上议事日程。

加强对核电设备材料腐蚀与防护问题的研究,对于保障我国核电运行安全、进一步提高核电的可利用率和经济性、以及推进中国核电“走出去”,都具有十分重要的意义。