能源是現(xiàn)代文明社會發(fā)展的基礎(chǔ)和動力。能源消費水平,特別是電力消費水平,已經(jīng)成為一個國家或者地區(qū)發(fā)展程度的重要標志。20世紀中葉以來,核能發(fā)電已經(jīng)成為發(fā)達國家電力供應(yīng)的主要形式之一,核電發(fā)電量占比曾經(jīng)達到全球總發(fā)電量的17%以上。目前,核電仍然是國際經(jīng)濟合作與發(fā)展組織(OECD)國家最大的低碳電力來源,超過OECD國家電力生產(chǎn)份額的21%,占美國低碳電力的比例高達63%。

安全是核電發(fā)展的生命線。核電的安全、高效發(fā)展離不開核電設(shè)備的高度可靠性。核電設(shè)備一旦失效,不僅影響核電站的正常運行,而且可能導致重大核事故的發(fā)生。有關(guān)核電設(shè)備失效行為的研究,一直是核電站研究設(shè)計中的一個重要領(lǐng)域,也是核電站運行維護的重大課題。由于核電站的特殊環(huán)境(高溫、高壓、強輻射,易引起設(shè)備材料發(fā)生腐蝕),材料腐蝕是引發(fā)核電設(shè)備失效的重要原因之一。在我國核電發(fā)展進入規(guī)模化批量化的新形勢下,加強對核電材料的腐蝕與防護研究,具有特別重大的意義。

1 全球核電發(fā)展概況

迄今為止,全球能源供應(yīng)和消費仍以化石能源為主,煤炭、石油、天然氣占全球能源消費總量的85%以上。不斷增長的能源消費需求,不僅為能源的可持續(xù)發(fā)展帶來嚴重挑戰(zhàn),而且深刻影響了全球自然環(huán)境。全球平均氣溫的持續(xù)攀升及其引發(fā)的一系列后果,在很大程度上與現(xiàn)代社會化石能源的過渡消費密切相關(guān),這個問題已經(jīng)引起了國際社會的高度關(guān)注。2015年12月12日,《聯(lián)合國氣候變化框架公約》第21次締約方會議在法國巴黎閉幕,全球近200個締約方國家通過了具有歷史意義的《巴黎協(xié)議》,為人類邁向"低碳排放的綠色未來"指明了行動方向和具體道路。

按照《巴黎協(xié)議》確定的目標,要“確保將全球平均氣溫較工業(yè)化前水平升高控制在2℃之內(nèi),并為把升溫控制在1.5℃之內(nèi)付出努力”。為此,各國將盡快實現(xiàn)溫室氣體排放不再增加;到2050年以后的某個時間點,全球人為碳排放量將降至森林和海洋能夠吸收的水平。

全球經(jīng)濟發(fā)展不平衡。在少數(shù)發(fā)達國家發(fā)展速率放緩的同時,一大批發(fā)展中國家正在尋求加速發(fā)展的種種途徑。隨著社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展,對能源、特別是電力的需要將持續(xù)增長。發(fā)電需要消耗能源,而環(huán)境保護必須減少碳的排放,在兩難的雙重壓力下,核電和其他可再生能源將成為未來能源可持續(xù)發(fā)展的主要選擇。鑒于太陽能、風能間歇性供應(yīng)的特點,核能發(fā)電是當前唯一能夠大規(guī)模提供無碳電力的技術(shù)。

根據(jù)世界核協(xié)會(WNA)提供的數(shù)據(jù),截至2016年1月1日,全球共有439臺在運的核電機組,總裝機容量超過382百萬千瓦。與2015年1月1日的數(shù)據(jù)(437臺機組、377百萬千瓦)相比,機組數(shù)量及裝機容量均有小幅回升。

美國擁有最多的核電機組,有99臺在運核電機組分布于美國30個州,核能發(fā)電量占美國總發(fā)電量的19%。法國有58臺在役核電機組,核能發(fā)電比例達到70%以上,是歐洲電力供應(yīng)成本最低的國家,是世界上最大的電力輸出國。日本目前在役核電機組有43臺,受2011年3月福島核事故的影響,曾經(jīng)一度提出“棄核”的主張。近年來的實踐表明,“棄核”將嚴重打擊日本的經(jīng)濟發(fā)展。日本政府明確表示,將在嚴格進行安全評估的基礎(chǔ)上,重啟日本的核電站,目前已經(jīng)有2臺機組恢復運行。

國際原子能機構(gòu)(IAEA)等多家機構(gòu)公布的全球未來能源供需情況的預(yù)測結(jié)果表明,在全球能源需求不斷上升及氣候變暖越來越受關(guān)注的背景下,全球核電裝機容量將繼續(xù)增長。IAEA預(yù)計,2030年全球核電裝機容量將達低值情景的435百萬千瓦和高值情景的722百萬千瓦。同時預(yù)測,2035年全球核電裝機容量將達到578百萬千瓦,核發(fā)電量將增加至4.3萬億千瓦時,核發(fā)電量在全球總發(fā)電量中的份額約占12%。

2 中國大陸的核電發(fā)展概況

中國大陸核電從20世紀80年代起步。截至2016年4月,在役、在建核電機組總數(shù)達到55臺,分布在浙江、廣東、江蘇、遼寧、山東、福建、廣西、海南等沿海8個省區(qū),總裝機容量5 600多萬千瓦。其中在役機組30臺,裝機容量2 800多萬千瓦;在建25臺,裝機容量2 700多萬千瓦,核電機組的概況見表1。目前,中國大陸在役核電機組已經(jīng)超過韓國、俄羅斯,僅次于美國、法國、日本,列全球第四。

表1 中國大陸核電概況(截至2016年4月)

Tab.1 Survey of nuclear power plants in China Mainland

2015年,中國大陸核電發(fā)電量1 690億千瓦時,占全國總發(fā)電量的3.01%,比2014年增長29.42%。所有核電機組都保持了安全運行的良好記錄,未發(fā)生國際核事件分級(INES)表中1級及1級以上的運行事件,安全生產(chǎn)狀況、職業(yè)病危害防治等在所有工業(yè)行業(yè)中處于領(lǐng)先水平。國家環(huán)境保護部門對核電廠周圍環(huán)境連續(xù)監(jiān)測的結(jié)果表明,核電廠放射性排出物的排放量遠低于國家標準限值,環(huán)境空氣吸收劑量率繼續(xù)保持在當?shù)乇镜纵椛渌綕q落范圍之內(nèi),環(huán)境效益良好。

未來幾十年,中國核電仍有很大的發(fā)展空間。從需求側(cè)來看,2015年,中國全社會用電量5.55萬億千瓦時,人均用電量4 100千瓦時,約是2000年的4倍,是全球增長最快的國家。但是,與發(fā)達國家相比,中國人均消費水平還比較低,不到美國的40%,大約為OECD國家平均水平的一半。未來中國城鎮(zhèn)化比例將進一步提高,社會經(jīng)濟發(fā)展對電力生產(chǎn)與消費的需求也將進一步增長。

從供給側(cè)來看,中國目前的能源結(jié)構(gòu)很不合理,以煤炭為主的化石能源比例過高,非化石能源比例過低,已經(jīng)成為中國能源結(jié)構(gòu)中的突出問題。2015年,中國非化石能源比例為12%,與政府制定的“2020年非化石能源占一次消費能源的比例到15%左右”、“2030年非化石能源占比提高到20%左右”的目標有較大差距。在一次能源消費中,煤炭的比重占64.4%,超出世界平均水平的兩倍。盡快改變以煤為主的能源結(jié)構(gòu),建設(shè)綠色低碳、安全高效的現(xiàn)代能源體系,是中國面臨的一項緊迫而艱巨的任務(wù)。為此,必須大幅度提高可再生能源、核能和天然氣等低碳能源的占比。由于核能發(fā)電具有年運行時間長(7 500h以上)、能量密度高、運行成本低、可大幅減少溫室氣體和污染物排放等特點,是能源綠色低碳發(fā)展的重要選擇。

根據(jù)國家能源發(fā)展規(guī)劃,2020年全國核電裝機5 800萬千瓦、在建3 000萬千瓦以上。2030年全國核電裝機將超過1.2億千瓦,核能發(fā)電量約占全社會用電量的10%。屆時,核能發(fā)電可替代煤炭近3億噸,少排放二氧化碳8億噸,成為低碳綠色能源的重要組成部分。

中國核電發(fā)展堅持“安全、高效”的方針。新建核電機組要采用國際先進核電技術(shù),主要發(fā)展“華龍一號”、CAP1000、CAP1400等第三代核電機組,進一步提高核電的安全性、經(jīng)濟性。為了切實保障核電的安全高效發(fā)展,政府要加強嚴格的、科學有效的安全監(jiān)管。在全行業(yè)大力推進核安全文化建設(shè),把安全理念落實到核電設(shè)計、建造、運行、退役的全過程,落實到核電產(chǎn)業(yè)鏈的所有環(huán)節(jié),不斷提高安全水平。

3 材料腐蝕與防護研究是核電安全高效發(fā)展的重要環(huán)節(jié)

一座壓水堆核電站,有數(shù)百個系統(tǒng)、幾萬臺(套)設(shè)備。在核電站的高額投資中,設(shè)備費用占到將近一半。核電設(shè)備的質(zhì)量與可靠性,決定了核電的安全性和經(jīng)濟性。

我國核電機組以壓水堆為主,在役和在建核電機組中,壓水堆核電站占到95%以上。壓水堆核電站的設(shè)備分為核島設(shè)備、常規(guī)島設(shè)備與BOP(核電站配套子項)設(shè)備三大類。按照設(shè)備服役工況或使用功能的不同,可分為核一級、核二級、核三級和非核級。有核級要求的設(shè)備及部件,其所用材料稱為核電關(guān)鍵材料。

核島設(shè)備,特別是核島主設(shè)備,是核電站的核心。核島主設(shè)備包括反應(yīng)堆壓力容器、蒸汽發(fā)生器、穩(wěn)壓器、控制棒驅(qū)動機構(gòu)、堆內(nèi)構(gòu)件、主管道、主泵等,構(gòu)成了壓水堆冷卻劑回路即一回路,是防止反應(yīng)堆放射性物質(zhì)外泄的第一道屏障。核島主設(shè)備及部件與核安全緊密相關(guān),可靠性要求最高。由于長期在高溫和強輻射條件下工作,對核電關(guān)鍵材料的要求也最嚴格。在材料選擇和制造過程中,不僅要考慮強度、韌性、焊接性能和冷熱加工性能等常規(guī)性能的要求,而且必須考慮輻照帶來的組織、性能、尺寸等的變化,以及材料與環(huán)境介質(zhì)的相容性等。

反應(yīng)堆壓力容器是裝載堆芯、支撐堆內(nèi)構(gòu)件和容納回路冷卻劑并維持其壓力的堆本體承壓殼體,由上、下封頭和筒體組成,具有密封放射性、阻止裂變產(chǎn)物逸散的功能。在核電站的整個壽期內(nèi),壓力容器是不可更換的。目前國內(nèi)外廣泛采用A508III(Gr.3C1.1)和16MND5等低合金鋼作為反應(yīng)堆壓力容器材料。為了防止與冷卻劑接觸產(chǎn)生腐蝕,在低合金鋼的內(nèi)壁堆焊不銹鋼。

蒸汽發(fā)生器是將壓水堆一回路的熱能傳遞給二回路介質(zhì)以產(chǎn)生蒸汽的熱交換設(shè)備,由簡體、管板、汽水分離器及外殼容器、傳熱管等部件組成。筒體管板采用與壓力容器相同或相近的低合金鋼材料,在一回路冷卻劑側(cè)堆焊有不銹鋼。傳熱管起一、二回路能量交換作用,對一回路壓力邊界完整性有重大影響,目前采用690、800等鎳基合金材料。傳熱管在特定結(jié)構(gòu)和介質(zhì)條件下,承受高溫、高壓和管子內(nèi)外的壓差以及腐蝕、水力振動等工況的作用,容易造成各種類型的腐蝕特別是應(yīng)力腐蝕破壞,是核電站因腐蝕導致失效實例最多的部件。

反應(yīng)堆堆內(nèi)構(gòu)件包括壓緊板、導向筒、吊籃圍板、流量分配板、上下柵格組件等,主要起支撐燃料組件、為控制棒及堆芯測量裝置等提供支撐和導向、合理分配冷卻劑流和減少壓力容器內(nèi)表面的中子注入量等作用。堆內(nèi)構(gòu)件面對活性區(qū),受到冷卻劑沖刷和高溫高壓作用,通常選用強度高、塑韌性好、高溫性能好、中子吸收和中子俘獲截面小的奧氏體不銹鋼及部分鎳基合金。

反應(yīng)堆一回路管道是維持和約束冷卻劑循環(huán)流動的通道,要求有優(yōu)良的耐腐蝕性能、足夠的強度、塑性和熱強性能,材料的鈷含量盡量低。一回路管道材料通常選用精密鑄造的奧氏體不銹鋼或整體鍛造的奧氏體不銹鋼。

盡管核島主設(shè)備的關(guān)鍵材料有優(yōu)良的綜合性能,但由于在高溫、高輻照等特殊環(huán)境中工作,因腐蝕、特別是應(yīng)力腐蝕導致的設(shè)備及部件失效實例并不少見。應(yīng)力腐蝕導致的設(shè)備及部件失效給核電站帶來巨大的經(jīng)濟損失,也給核電安全運行帶來潛在的威脅。有核電的世界各國都投入大量經(jīng)費用于開展核島主設(shè)備材料的腐蝕與防護研究工作。研究的重點包括:蒸汽發(fā)生器傳熱管的腐蝕失效,異種金屬材料焊接件的腐蝕破裂,強輻射環(huán)境中不銹鋼材料的應(yīng)力腐蝕破裂,以及反應(yīng)堆一回路水化學控制等。

核島主設(shè)備直接與反應(yīng)堆冷卻劑接觸,腐蝕防護的主要手段是實行嚴格的一回路水化學控制。一回路水化學控制包括:加氫抑制一回路水的輻照分解,降低水中溶解氧的含量;精確調(diào)節(jié)和控制一回路水的pH,防止和減少一回路內(nèi)部材料的腐蝕;加鋅抑制活化腐蝕產(chǎn)物在一回路管道表面的沉積,降低回路周圍空間的輻射劑量水平等。

除核島主設(shè)備外,核島安全殼系統(tǒng)也是核電站設(shè)備腐蝕防護研究和關(guān)注的重點。安全殼作為核電站防止放射性物質(zhì)外泄的最后一道屏障,承擔重要的安全功能。目前,壓水堆核電站的安全殼有兩種結(jié)構(gòu),一種是單層安全殼,在混凝土結(jié)構(gòu)的內(nèi)壁襯有約6mm的低碳鋼。另一種是雙層安全殼,外層為混凝土屏蔽構(gòu)筑物,內(nèi)層為低碳鋼安全殼。混凝土和鋼材表面都有保護涂層。安全殼系統(tǒng)用的涂料稱為核級涂料,除常規(guī)要求外,還需要有優(yōu)良的抗輻照、去污、抗熱老化、以及在核電站設(shè)計基準事故下保持涂層完整性等一系列特殊要求。在非能動核電站中,安全殼涂層還要求良好的傳熱和濕潤性能。

常規(guī)島設(shè)備主要為碳鋼和低合金鋼,面臨的腐蝕問題與常規(guī)火力發(fā)電廠類同,主要差別在于核電站汽輪機的進氣為飽和蒸汽,需要更多考慮濕蒸汽侵蝕造成的影響。防護手段主要依靠二回路水化學控制,以減少與二回路介質(zhì)接觸的設(shè)備和管道材料的腐蝕。同時要加強對二回路系統(tǒng)內(nèi)各種材料腐蝕情況的監(jiān)測,及時探知和發(fā)現(xiàn)材料損傷情況,防止事故的發(fā)生。

由于核電的高度政治敏感性,一旦發(fā)生事故,即使與核安全無關(guān),也會在社會上產(chǎn)生巨大反響。日本美濱核電廠曾經(jīng)發(fā)生過一起常規(guī)島管道破裂事故,高溫高壓水從管道中噴出,導致多名工作人員死傷。事故原因是碳鋼管道內(nèi)側(cè)發(fā)生流動加速腐蝕(FAC),管道壁變薄,又沒有及時發(fā)現(xiàn),在高溫高壓下發(fā)生破裂。事故引發(fā)了全社會對核電安全的關(guān)注。

核電站BOP設(shè)備的腐蝕問題與其他工業(yè)設(shè)施基本相同。目前,我國核電站全都建在東南沿海地區(qū),構(gòu)筑物和設(shè)備及部件中大量使用的碳鋼材料長期在海水中浸泡,有的直接與腐蝕性大氣環(huán)境接觸,腐蝕與防護問題比較突出。采取的防護手段主要有各種涂層保護、電化學保護(如陰極保護)以及其他一些措施(如充氮和表面涂膜)等。

與發(fā)達國家相比,我國核電建設(shè)起步較晚。借助于后發(fā)優(yōu)勢,我們充分借鑒了國外核電發(fā)展的經(jīng)驗和教訓,有效地避免了國外曾經(jīng)出現(xiàn)過的諸如蒸汽發(fā)生器傳熱管應(yīng)力腐蝕破裂等一些典型事故。20世紀80年代以來,國內(nèi)相關(guān)科研院所及核電企業(yè),結(jié)合本身的工作任務(wù)及專業(yè)特色,開展了一系列核電關(guān)鍵材料的腐蝕與防護研究,腐蝕防護技術(shù)及核級涂料研制生產(chǎn)都取得了重大進展,為保障我國核電安全高效發(fā)展做出了重要貢獻。

2005年以來,在國家973計劃大力支持下,由中國科學院金屬研究所牽頭,聯(lián)合國內(nèi)十幾家科研院所、高等學校、核電裝備制造企業(yè)和核電設(shè)計運行單位,系統(tǒng)深入地開展了核電關(guān)鍵設(shè)備材料失效行為研究,在材料失效機理研究、輻照對材料失效影響研究、腐蝕與失效行為監(jiān)測和防護等許多方面取得了新的突破,培養(yǎng)了一批高素質(zhì)的人才,形成了一批有實用價值的優(yōu)秀成果,有力推進了我國核電材料的腐蝕與防護研究工作。

4 結(jié)論

當前,我國核電已經(jīng)進入規(guī)模化批量化發(fā)展的新階段,成為世界上發(fā)展最快、新建機組最多的國家。設(shè)計自主化、材料國產(chǎn)化的第三代核電技術(shù)對機組提出了更高參數(shù)和更長設(shè)計壽命(60年)的要求,對核電材料在服役環(huán)境中的腐蝕防護研究提出了新的挑戰(zhàn)。與此同時,隨著我國在役核電機組服役時間的推移,機組老化及設(shè)備可靠性問題將進一步凸顯,老機組擴容延壽問題也將提上議事日程。

加強對核電設(shè)備材料腐蝕與防護問題的研究,對于保障我國核電運行安全、進一步提高核電的可利用率和經(jīng)濟性、以及推進中國核電“走出去”,都具有十分重要的意義。