城市的發展、人口的增長以及人們對現代生活方式的渴望，使得高科技產品的使用成為潮流。高科技產品需要使用大量的能量，這引發了人們對能源危機的擔憂。為了解決這一問題，大多數國家嚴重依賴煤炭和天然氣發電，而這導致了二氧化碳排放量的增加，導致了全球變暖。

不斷增加的空氣污染、有限的土地面積以及風能和太陽能存在的巨大不確定性等問題，使核能成為以可持續的方式克服能源短缺的最具吸引力的選擇。

核能面臨的主要問題是核廢料的安全處理和核電站運行的安全。這兩個問題正通過不斷創新核材料來解決。

由于核電站中一系列惡劣條件的存在，如不同能量的輻射、高溫、高腐蝕性環境以及機械應力和熱應力的組合，使這一任務具有挑戰性。

- 01 - 核反應堆的傳統材料

輕水反應堆（LWR）占世界核反應堆的80％。

LWR的兩種最常見類型是沸水反應堆（BWR）和壓水反應堆（PWR）。這些反應堆的主要組成部分是燃料、金屬包層、反射器、控制棒、慢化劑、反應堆壓力容器和提供支撐的結構材料。

圖1：壓水堆中使用的材料示意圖

- 02 - 燃料和金屬包層（Fuel and metal cladding）

輕水堆中的燃料是顆粒狀的陶瓷UO2。陶瓷UO2顆粒在裂變過程中保持出色的尺寸穩定性。這些陶瓷顆粒被包裹在金屬包層中。在中子能量為0.025eV時，燃料應具有較高的宏觀裂變截面和較低的吸收截面。

圖2：中子與材料的各種相互作用示意圖

金屬包層對中子應該是透明的，這樣，這些中子就可以引起UO2燃料的裂變。為了比較各種金屬的中子透明度，引入了一個叫做宏觀中子吸收截面的參數。宏觀中子吸收截面越小，包層材料越好。

此外，負責運行這些反應堆的公司，需要在反應堆中燃燒盡可能多的燃料，以便從燃料中提取最多的熱量，也即所謂的高燃料燃耗，以獲得更好的設備經濟性。當然，這對燃料包層也提出了額外的要求，最常見的是高耐腐蝕性。

表1：用于包層應用的候選材料的性能

從表1可以明顯看出，鈹，鎂和鋁的中子吸收截面最低，但是這些金屬仍然不適用于包層應用。鈹價格昂貴，難以制造且有毒。鎂的熔點較低（650℃），在高溫下會失去強度，并且對熱水腐蝕的抵抗力較差。鋁的熔點低（660℃），高溫強度差。

奧氏體不銹鋼(304、316和347)曾被用作BWRs的包層，但由于應力腐蝕開裂(SCC)失效而未能成功。盡管在PWRs中，奧氏體鋼包層燃料運行可靠，但燃料燃耗高的需求，最終導致了鋯基包層取代奧氏體不銹鋼。

最初，鋯的兩個主要問題是抗腐蝕性差和高的宏觀熱中子吸收截面，但后來發現其高的宏觀吸收截面是因為鋯中存在少量的鉿雜質。用少量錫、鉻和鐵(小于1%)對鋯進行合金化，對鋯的耐蝕性有顯著的提高。

已發現Zircaloy具有所有必需的特性，例如：

相對較高的豐度

不算太貴

在300℃的工作溫度下，具有良好的耐腐蝕性

合理的高溫強度

良好的可加工性

然而，在福島核事故之后，核電界正在尋找鋯合金包層的替代材料。

2011年3月11日，福島第一核電站發生核事故

1950年代，美國海軍上尉海曼·里克弗（Hyman Rickover）首先選擇這些合金為輕水堆包層材料，當時麻省理工學院的Kaufman和橡樹林國家實驗室的Pomerance在實驗室成功分離了鉿和鋯，且發現純鋯只吸收了少量的中子。

在BWR和PWR環境中，鋯合金的腐蝕機理不同。鋯合金在BWR中發生癤狀腐蝕，而在PWR中則受到均勻腐蝕。BWR中使用Zircaloy 2（耐癤狀腐蝕）作為包層，而PWR中使用Zircaloy 4（抗均勻腐蝕）。

高燃耗則要求更高的耐腐蝕性，因此，目前使用最多的兩種最新合金是西屋公司的ZIRLO?和法馬通公司（AREVA）的M5?。ZIRLO?是Zircaloy 4基礎上，添加了0.5–1％的鈮。M5?是Zr-1％Nb，含少量的Fe，但沒有Sn。

盡管Zircaloy-2仍用于BWR中，Zircaloy-2具有鋯內襯層，可防止顆粒包層間機械作用引起的應力腐蝕開裂，但M5?已成為未來壓水堆中替代Zircaloy-4的首選合金。

- 03 - 慢化劑和冷卻劑（Moderator and coolant）

慢化劑的功能是將快中子的能量從幾MeV減慢到0.025 eV。

為了最有效地減慢這些中子的速度，慢化劑材料的原子的大小必須接近中子的大小。最常見的慢化劑是H2O，因為氫的原子尺寸最小。其他常見的慢化劑有石墨、重水、鈉和二氧化碳。

好的慢化劑材料應該有低的中子吸收截面，此外，如果慢化劑材料有高的熱容，可用來吸收反應堆的熱量，比如水，那么它還可以作為冷卻劑。

- 04 - 反射器（Reflector）

一些中子會從反應堆堆芯泄漏出來，為了阻止這些中子，需要使用反射器。

反射器所需的材料屬性與慢化劑相同，但其應為固體。常見的反射器材料是奧氏體不銹鋼，鈹或石墨。

WWER-1000核芯的頂視圖。下部支撐結構，中子反射器和11個燃料組件。

- 05 - 控制桿（Control rod）

控制棒的作用是吸收反應堆中的中子。如果中子數量增加到無法控制的水平，就會執行一種叫做反應堆緊急停堆的操作，在此過程中，控制棒被插入反應堆中。

具有高中子吸收橫截面的材料，例如硼，鎘，鉿等，是控制棒的首選材料。控制棒呈葉片形，穿過燃料組件呈十字交叉排列，通常由散布在304型不銹鋼基體或鉿基體上的B4C制成。

1943使用硼控制棒的反應堆圖

- 06 - 反應堆壓力容器（Reactor pressure vessel，RPV）

RPV是反應堆與外部環境之間的關鍵安全邊界，通常被認為是核反應堆的關鍵壽命限制(和不可替代)組件。

反應器壓力容器由調質的錳鉬鎳（Mn-Mo-Ni）低合金鋼制成，這些壓力容器非常大，因此對材料的主要限制是其高成本。持續暴露于輻射下會使RPV變脆，從而導致其斷裂韌性降低。

管道和熱交換器通常用鎳基合金制造。

RPV安裝，寧德核電站3號機組，中國福建

- 07 - 結論（Conclusion）

通過不斷創新核材料，可以顯著提高核反應堆運行中的安全性。從發現新的核材料，到將其用于核反應堆之間，需要經歷的時間相當長，就像當前用于抗擊武漢新冠病毒的藥物，也需要經過嚴格的驗證程序。

這種用于核反應堆的新材料，必須經過國家實驗室和大學的大量測試，才能確保在反應堆中使用是安全的。這一點很重要，因為核反應堆的平均壽命是30-40年，這些材料就需要運行這么長的時間。

如果不這樣做，代價可能會很大。因此，與其他部門相比，核領域的材料創新速度一直相當緩慢。

參考文獻：

https://www.nuclear-power.net/nuclear-engineering/materials-nuclear-engineering/

https://www.nrc.gov/materials.html

https://en.wikipedia.org/wiki/Nuclear_reactor

https://matmatch.com/blog/materials-in-nuclear-reactors/

Ru, X., and Staehle, R. W., 2013, “Historical Experience Providing Bases for Predicting Corrosion and Stress Corrosion in Emerging Supercritical Water Nuclear Technology: Part 1—Review,” Corrosion, 69(3) pp. 211-229.