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      利用核燃料（鈾235、钚256、鈾233）或可聚變核素（氘、氚）裂變反應(yīng)或核聚變反應(yīng)產(chǎn)生熱能轉(zhuǎn)為動(dòng)力的裝備稱為核裝備，發(fā)出的核電，是當(dāng)今三大電之一，與火電、水電并列。核動(dòng)力裝備包括核反應(yīng)堆、產(chǎn)生動(dòng)力的系統(tǒng)和設(shè)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)備等三個(gè)主要部分。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、艦艇和空間技術(shù)。核裂變技術(shù)已成熟，而可控的核聚變技術(shù)尚處于研發(fā)階段，首個(gè)實(shí)用核聚變反應(yīng)裝備可能還需要七八年才能面世。
　　核裂變是一種物理現(xiàn)象，簡稱裂變，一個(gè)重原子核分裂成兩個(gè)中等質(zhì)量的核叫裂變。一個(gè)鈾235（質(zhì)量數(shù)是235的軸）核裂變釋放的能量約200MeV。平均每個(gè)核子釋放0.85MeV。1kg鈾235核完全裂變放出8.36×1013J的能量，相當(dāng)于2×104t梯恩梯（TNT）爆炸，1tTNT爆炸產(chǎn)生4.18×109 J的能量。易裂變的核有鈾235、钚239、鈾233。鈾彈一般裝15kg~25kg鈾，钚彈一般裝5kg~10kg钚。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kW的核電站每年只需30t濃縮鈾，而同等功率的火電站每年需耗2.5×106（2.5百萬）t煤，同時(shí)放出大量的CO2與含硫的有害氣體，以及固體廢棄物。
　　核聚變也是一種物理現(xiàn)象，是輕原子核聚合成較重原子核的核反應(yīng)。一個(gè)2H（氘）核和一個(gè)3H（氚）聚合成一個(gè)4He（氦）核，放出一個(gè)1n（中子），同時(shí)釋放17.58MeV的能量，平均每個(gè)核子釋放3.84MeV，是裂變反應(yīng)平均每個(gè)核子釋放能量的4.5倍。4個(gè)1H（氫）聚變合成一個(gè)4He核，釋放24.7MeV＝3.95×1012J能量。太陽輻射的能量為1.28×1044J，就來源氫聚合成氦的聚變反應(yīng)。實(shí)現(xiàn)核聚變反應(yīng)需達(dá)到108K左右的高溫，目前只有原子爆炸才能達(dá)到如此高的溫度。氫彈就是利用原子彈爆炸時(shí)的高溫引起氫原子核聚變瞬間釋放巨大能量起殺傷破壞作用的。
　　含有易裂變核素如鈾235、钚259、鈾233或可聚變核素如氘和氚在反應(yīng)堆中可以發(fā)生自持的核反應(yīng)并連續(xù)釋放能量的材料稱為核燃料，1kg鈾235完全裂變發(fā)生的熱量約為2.2×107 kWh，并產(chǎn)生裂變產(chǎn)物。共產(chǎn)生的熱量為1kg標(biāo)準(zhǔn)煤燃燒產(chǎn)生的熱量大280萬倍多，1kg氘裂變所釋放的能量比1kg鈾235的約大3倍。氫有3種同位素：氫1（氫）、氫2（氘）、氫3（氚），海水中有的是鈾和氫，以每1000t海水含3g鈾計(jì)算，全球海洋中鈾的蘊(yùn)藏量可超過40億t，海水中的氘和氚也是取之不盡，用之不竭。核燃料有的是，一旦核裂變裝置投入商業(yè)營運(yùn)，世界能源問題就徹底解決了，我們的子孫萬代就享清福了。氘（dao）也叫重氫，氫的同位素之一，符號(hào)為D或2H，質(zhì)量數(shù)2，主要存在于重水中，用于熱核反應(yīng)。氚（chuan）也叫超重氫，氫的同位素之一，符號(hào)T或3H，質(zhì)量數(shù)3，有放射性，用于熱核反應(yīng)。
　　主席總理頻推核電
　　裝備與技術(shù)出海指日可待
　　2014年，隨著中國領(lǐng)導(dǎo)人外交活動(dòng)的加強(qiáng)，與高鐵類似，核電也屢屢成為國家領(lǐng)導(dǎo)人出訪與外交活動(dòng)推介的響當(dāng)當(dāng)?shù)?ldquo;中國制造”金字國家名片。在2014年，中國核電企業(yè)（中廣核、中核集團(tuán)、中電投）與法國、阿根廷、意大利、西班牙、加拿大、捷克、哈薩克斯坦等國簽署了有關(guān)核電合作的文件。由中核和中廣核聯(lián)手打造的“華龍一號(hào)”與國家核電公司研發(fā)的CAP1400為骨干的核電裝備或?qū)⒊蔀槌龊５念^批產(chǎn)品。
　　2015年1月15日，習(xí)近平主席指出，核工業(yè)作為最高科技戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)，是國家安全的重要基石；要堅(jiān)持安全發(fā)展、創(chuàng)新發(fā)展，堅(jiān)持和平利用核能，全面提升核工業(yè)的核心競爭力。無疑，習(xí)主席的指示是國家發(fā)展核工業(yè)的指路明燈。
　　2015年2月5日，習(xí)主席在人民大會(huì)堂同阿根廷總統(tǒng)克里斯蒂娜舉行會(huì)談，表示后期將核電作為雙方合作的重點(diǎn)。同日，阿根廷總統(tǒng)隨即對(duì)外宣稱，阿根廷與中國簽署了核電合作協(xié)議，利用中國“華龍一號(hào)”建設(shè)兩座核電站，總投資超過128億美元。“華龍一號(hào)”核電技術(shù)的成套出口，在一定程度上體現(xiàn)了國際市場對(duì)中國自主開發(fā)的獨(dú)立自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的第三代核電技術(shù)的認(rèn)可，它承載著中國人闖蕩天下的重要一步，但這僅是中國核電技術(shù)出海的開始。
　　2015年1月28日，李克強(qiáng)總理主持召開國務(wù)院常務(wù)會(huì)議，部署加快鐵路、核電、建材等中國裝備“走出去”，推進(jìn)國際合作，提升合作層次。會(huì)議確定，大力開拓鐵路、核電等重大裝備國際市場，整合行業(yè)資源，創(chuàng)新對(duì)外合作模式。
　　在工業(yè)發(fā)達(dá)國家，核電站的建設(shè)已有60多年的歷史，是一個(gè)成熟的產(chǎn)業(yè)，截至2013年，美國的裝機(jī)容量已超過10000萬kW，世界第一，其他依次遞減次序?yàn)榉▏⑷毡?、德國、俄羅斯、英國、韓國、加拿大、瑞典、西班牙（730萬kW）。
　　2011年3月日本福島核電事故發(fā)生之后，中國國內(nèi)的核電建設(shè)曾一度暫停，2013年12月以前中國只有17臺(tái)核電機(jī)組運(yùn)行，但在所有發(fā)電量中的占比也只有不到2%，與國外有些國家的百分五六十相差甚遠(yuǎn)，據(jù)中國核能行業(yè)協(xié)會(huì)的統(tǒng)計(jì)，2014年共有5臺(tái)核電機(jī)組投入商業(yè)運(yùn)行，因此至2014年年底中國投入商業(yè)運(yùn)行的核電機(jī)組共22臺(tái)，累計(jì)發(fā)電量1305.80億kWh，約占全國總發(fā)電量的2.39%。臺(tái)灣省的核電裝機(jī)容量約占全島總發(fā)電裝機(jī)容量的60%。
　　中國《核電中長期發(fā)展規(guī)劃（2011~2020）》要求，在2015年以前，中國在運(yùn)行的核電裝機(jī)達(dá)到4000萬kW，在建1800萬kW；到2020年，中國營運(yùn)核電裝機(jī)應(yīng)達(dá)到5800萬kW，在建3000萬kW，為此，在到2020年為止的這段時(shí)間內(nèi)，核電裝機(jī)容量的復(fù)合增長率應(yīng)達(dá)到18%，核工業(yè)的直接用鋁量的復(fù)合增長率也應(yīng)達(dá)到18%。
　　不管是國內(nèi)核電項(xiàng)目的建設(shè)速度，還是核電裝備走出去的步伐都在快速提升，而且不是短期的，復(fù)合增長率有可能達(dá)20%，鋁材的增長潛力很大。據(jù)《新京報(bào)》（2015年2月10日）報(bào)道，在國務(wù)院直接指示下，國家發(fā)改委正在牽頭制定《關(guān)于加快裝備走出的指導(dǎo)意見》，目前初稿已完成，而工信部、商務(wù)部也將配合意見出臺(tái)政策。所支持的產(chǎn)業(yè)包括鐵路、核電、建材生產(chǎn)線、鋼鐵、有色、建材、輕紡等。
　　據(jù)國際原子能機(jī)構(gòu)預(yù)測，到2030年全球的核電裝機(jī)容量至少增加40%。未來10年，除中國外，全球約有60臺(tái)至70臺(tái)100萬kW級(jí)核電機(jī)組建設(shè)，海外核電市場空間將達(dá)1萬億元，據(jù)筆者預(yù)測，同期中國國內(nèi)建設(shè)的核電機(jī)組數(shù)量及裝機(jī)總?cè)萘看笾屡c國外的相等，但市場空間約為國外的75%，即約低25%。
　　核裝備越洋過海
　　高精鋁材全程護(hù)航
　　中國核工業(yè)已近60年，已經(jīng)設(shè)計(jì)與建造了生產(chǎn)堆、研究堆和核潛艇動(dòng)力堆等。各工業(yè)發(fā)達(dá)國家為解決人類未來能源正在對(duì)核聚變反應(yīng)堆的開發(fā)進(jìn)行大量的研究工作。
　　在核工業(yè)中鋁及鋁合金主要用作低、中溫水堆（石墨水生產(chǎn)堆、實(shí)驗(yàn)研究水堆及某些重水實(shí)驗(yàn)堆）燃料元件的包殼、工藝管、輔助管道及其他結(jié)構(gòu)材料等。工業(yè)純鋁在溫度為100℃~130℃的水冷反應(yīng)堆中得到廣泛的應(yīng)用。
　　反應(yīng)堆鋁材應(yīng)具備的特性
　　鋁材之所以在反應(yīng)堆中得到廣泛應(yīng)用，除了它具有眾所周知的優(yōu)良性能外，在核工程性能方面還有一些特異的性能：對(duì)熱中子的吸收截面小，為0.22×10-24cm2，僅比鈹、鎂、鋯的大一些，而比其他金屬的小得多，因此，鋁是性價(jià)比優(yōu)秀的上等材料；輻照感應(yīng)放射能衰減快，高純鋁在停止輻照后一周內(nèi)，放射能就急劇下降；反應(yīng)堆壁濺蝕小，在175℃以下耐輻照，輻照損失小，空穴率低。
　　在反應(yīng)堆中，作為熱交換介質(zhì)的水所引起的腐蝕比常規(guī)熱電站中的嚴(yán)重得多。一般說來，鋁材在50℃以下的水中發(fā)生點(diǎn)蝕，在50℃~250℃水中以均勻腐蝕為主，在300℃以上水中則發(fā)生晶間腐蝕。
　　實(shí)踐證明：選用耐點(diǎn)蝕的鋁合金；提高鋁合金純度，以免產(chǎn)生陽級(jí)性的夾雜物；提高堆用水純度，嚴(yán)格控制水中有害離子含量都是提高鋁材耐點(diǎn)蝕的有效措施。此外，對(duì)鋁材進(jìn)行陽極氧化處理也能提高其對(duì)點(diǎn)蝕的抵抗能力，不過水的溫度不能高于100℃，否則效果不佳。
　　作為元件包殼或工藝管的鋁材，在加工、運(yùn)輸與安裝過程中，其表面都不可避免地會(huì)產(chǎn)生種種避部損傷，如劃痕、碰傷、氧化膜缺陷等，它們加速陰極去極化反應(yīng)，也易使電位比鋁的更正的重金屬在此處沉積，從而加速鋁陰極的離子溶解作用，加速腐蝕。但只要損傷深度不超過一定值（低溫水堆用的鋁材的容許安全值為0.15mm~0.30mm），不會(huì)引起異常的加速腐蝕，在低溫水堆的特定條件下，可安全使用。
　　1965年以前中國所需的工藝管全部從蘇聯(lián)引進(jìn)，1958年哈爾濱鋁加工廠（現(xiàn)在的東北輕合金有限責(zé)任公司）開始二期項(xiàng)目建設(shè)，其中有工藝管車間，有成磁療的軋管、精整、陽極氧化設(shè)備，原為蘇聯(lián)緩建項(xiàng)目，后由于蘇聯(lián)中止援助，中途一度停建，爾后自力更生建設(shè)，1965年才建成投產(chǎn)，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力50t/a。1966年生產(chǎn)工藝管4934根，33t，管的外徑43mm，內(nèi)徑41mm，當(dāng)時(shí)的合金牌號(hào)為LT24。后來又在西北鋁加工廠建了一個(gè)工藝管車間，所以現(xiàn)在中國可生產(chǎn)工藝管的企業(yè)有2個(gè)。
　　在中溫水中，鋁主要發(fā)生均勻腐蝕。因此，水中的離子對(duì)其腐蝕的影響不像低溫時(shí)那樣顯著與敏感，而合金成分、晶粒大小與組織狀態(tài)卻起著較大的作用。在6xxx系合金中，最好不存在過剩的Si相。向合金中同時(shí)加入Fe及Ni（0.3%~0.4%），并使其質(zhì)量比為1，以形成氫超電壓較低的Al9FeNi相，可提高合金的抗腐蝕性。因?yàn)橛蠥l9FeNi相存在時(shí)，氫可以從其質(zhì)點(diǎn)處逸出，鋁基地不會(huì)產(chǎn)生陰極反應(yīng)。
　　在高于130℃的動(dòng)水中，陽極化膜易剝落，不耐腐蝕，但預(yù)生氧化膜（材料使用前，將其置于一定溫度的高純靜水中一定的時(shí)間所形成氧化膜）可提高合金的抗中、高溫動(dòng)水腐蝕的能力。
　　對(duì)堆用鋁材危害最大的是晶間腐蝕，是由晶界區(qū)和晶粒基體之間的電位差引起的。因此，凡能降低這種電位差的措施都能提高合金抗晶間腐蝕的能力。
　　防止鋁材晶間腐蝕極有效的措施是向鋁中添加一定量的Fe與Ni，使之形成氫超電壓較低的陰極相Al3Fe、Al3Ni與Al9FeNi等。這就是中、高溫堆用鋁材大都含有一定量的Ni與Fe的緣故。向Al-Mg-Si合金添加一定量的Cu也能提高合金抗晶間腐蝕的能力。
　　合金的晶粒越細(xì)，抗晶間腐蝕的能力也相應(yīng)地提高一些，熱處理?xiàng)l件也對(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沉淀與使晶粒長大，增加合金的晶間腐蝕敏感性。
　　大家知道，金屬材料的晶粒越細(xì)，組織越均勻，抗蝕性也越高，所以往往向鋁合金中添加微量的晶粒細(xì)化元素。但是對(duì)反應(yīng)堆鋁合金來說，應(yīng)考慮數(shù)量元素的熱中子吸收截面，例如天然硼的熱中子吸收截面為755×10-24cm2，而B10的卻高達(dá)3800×10-24cm2，含硼的合金及純硼是很好的屏蔽材料與控制材料，但對(duì)非屏弊材料來說，卻是一個(gè)有害元素，應(yīng)嚴(yán)加控制。美國鋁業(yè)協(xié)會(huì)及材料試驗(yàn)學(xué)會(huì)（ASTM）規(guī)定8001合金的B含量不得大于0.001%。
　　鋯的熱中子吸收截面相當(dāng)小，只有0.18×10-24cm2，鈦的為5.6×10-24cm2，鉻的為2.9×10-24cm2，可作為反應(yīng)堆鋁材的微量添加元素。
　　反應(yīng)堆鋁材
　　反應(yīng)堆鋁材可分為兩種：溫度在130℃以下的低溫堆用元件包殼及結(jié)構(gòu)材料，主要是工業(yè)純鋁1100與6063合金；使用溫度不超過400℃的中溫堆用材料，如Al-Ni-Fe系、Al-Si-Ni系合金，其中典型的是美國的8001合金。
　　在美國廣泛采用工業(yè)純鋁1100（質(zhì)量%：0.05~0.20Cu、0.05Mn、0.10Zn、0.95Si+Fe，其他雜質(zhì)單個(gè)0.05、總計(jì)0.15，99.00Al），蘇聯(lián)及俄羅斯采用Al-Mg-Si系合金CAB-1（0.45%~0.90%Mg、0.7%~1.2%Si，其余為Al與不可避免雜質(zhì)）作為壓水型反應(yīng)堆MP、BBP-M等的結(jié)構(gòu)材料及工藝管材料。但這些材料的最高工作溫度為130℃，如溫度更高，則需用其他鋁材。
　　工作溫度為130℃~400℃的鋁合金有：中國的306合金（約含7%Si與0.65%Ni，其余為Al及不可避免雜質(zhì)），它的熱中子吸收截面小，對(duì)中、高溫水有高的抗蝕性，有相當(dāng)好的室溫及同溫力學(xué)性能，加工成形性優(yōu)秀，可作管狀元件及板狀元件的包殼材料。
　　國外采用鋁－硅－鎳合金作為元件的包殼材料，在高溫水中有良好的抗蝕性。后一個(gè)合金在260℃~300℃水中的抗蝕性比8001合金的高。
　　在某些情況下，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，或不便使用時(shí)，則除水以外，還可以用一種名為“波拉爾（Boral）”的鋁板作為屏蔽，它是一種含有碳化硼（B4C）的復(fù)合鋁合金，因?yàn)樗辛己玫闹凶游招阅?，在其表面包覆一?100工藝純鋁。
　　核聚變鋁材
　　當(dāng)前，一些國家為了解決人類未來能源問題，還在開發(fā)核聚變反應(yīng)堆，其中美國的成就最突出，2010年11月20日被譽(yù)為“人造太陽”（核聚變?cè)囼?yàn)堆）的美國國家點(diǎn)火裝置（NIF）開始點(diǎn)火運(yùn)轉(zhuǎn)，產(chǎn)生6×106 °F的高溫，相當(dāng)于恒星或大行星核心溫度，達(dá)到了核聚變所需的溫度。
　　核聚變反應(yīng)堆是將氘（D）和氚(T)產(chǎn)生的高溫等離子體封閉起來，進(jìn)行核聚變反應(yīng)，反應(yīng)堆應(yīng)該用放射能衰減快的、停堆后短時(shí)間人可以接近的、殘余放射能小的材料的制成。鋁合金是一種低感應(yīng)放射能材料，是一種較為理想的熱核反應(yīng)堆材料。
　　熱核反應(yīng)堆材料除要求感應(yīng)方式能小外，在120℃還應(yīng)有相當(dāng)高的強(qiáng)度。由于磁場作用會(huì)產(chǎn)生渦流，鋁合金的電阻應(yīng)大一些，還應(yīng)有良好的成形性能、加工性能、真空性能與導(dǎo)熱性。
　　研究表明，殘余感應(yīng)放射能低的材料是C、SiC與純鋁，但C及SiC的加工成形性能差，不易加工大的構(gòu)件，現(xiàn)在日本的R計(jì)劃、國際原子能機(jī)構(gòu)的INTOR項(xiàng)目和美國的STARFIRE核聚變反應(yīng)堆的研究都把鋁合金作為研發(fā)的首要材料。
　　在元素周期中，對(duì)14.1MeV中子引起的感應(yīng)放射能低的元素只有Li、Be、C、Mg、Al等。因此，核聚變反應(yīng)堆鋁材的研究開發(fā)對(duì)象無疑當(dāng)是以高純鋁為基礎(chǔ)的Al-Mg-Si系、Al-Mg 系、Al-Si系、Al-V系、Al-V-Si系、Al-Mg-V系、Al-Mg-Li系合金及燒結(jié)鋁合金（SAP）。在這類材料中，應(yīng)嚴(yán)格控制鋁合金的常用合金元素Fe、Cu、Cr等的含量。
　　據(jù)美國國家點(diǎn)火裝置的官員估計(jì)，使用核聚變反應(yīng)堆的發(fā)電站將于2020年開始運(yùn)行，到2050年將有25%的美國民用能源由核聚變提供。海水中有的是氘，1gal海水可提供相當(dāng)于300gal汽油產(chǎn)生的能量，50gal海水所產(chǎn)生的能量相當(dāng)于2t煤的。核聚變很環(huán)保，大規(guī)模應(yīng)用后，可以少使用化石燃料，從而大大降低溫室氣體排放。一旦我們掌握了核聚變發(fā)電技術(shù)，我們的子孫后代將享受到科技發(fā)展帶來的飛躍，能源短缺的時(shí)代將一去不復(fù)返，鋁在迎接這個(gè)時(shí)代的到來將發(fā)揮重要的作用。
　　在中國發(fā)電裝機(jī)容量中，核電裝備占的比例甚低，在今后二十年內(nèi)，核電裝備用鋁量的年平均增長率可達(dá)20%或更大一些，成為高精鋁材應(yīng)用方面的又一新亮點(diǎn)。核電裝備所需的鋁材中國都能生產(chǎn)，但是生產(chǎn)工藝管的企業(yè)只有東北輕合金有限公司和中鋁西北鋁，在研發(fā)核電站用鋁材方面與工業(yè)發(fā)達(dá)國家的相比還有較大差距，亟待加強(qiáng)與加大投入。（來源：中國有色金屬報(bào) 作者：王祝堂）

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