自從 1954 年蘇聯建成了世界第一座核電站以來，人類和平利用核能已經長達 61 年了。在這半個多世紀的時間里，核電技術經歷了 3 次飛躍，共形成了 4 代技術，每一代核電站在經濟性、安全性和高效性方面都取得了更大的突破。為了應對核擴散和恐怖勢力，解決核燃料可持續性發展的問題，在第三代技術落地之前，第四代新型核能系統也提上日程。第四代核能系統是一種具有更好的安全性、經濟競爭力，核廢物量少，可有效防止核擴散的先進核能系統，代表了先進核能系統的發展趨勢和技術前沿。隨著世界核電技術在飛速地發展，核電安全問題也愈加受到各國的重視，提及 2011 年日本福島核電站核泄漏事故大家仍心有余悸。因此核電發展必須建立在安全的基礎上，而核電的安全與否又取決于核電設備的高度可靠性。核電設備一旦失效，輕則影響正常運行，重則導致重大事故，故而核電設備失效行為的研究顯得尤為重要。由于核電站的特殊環境（高溫、高壓、強輻射，以及引發腐蝕的介質環境），材料腐蝕是引發核電設備失效的重要原因之一。在我國核電發展進入規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尤為重要。為了全面科普核電腐蝕與防護知識，為行業人士提供建議，讓其預防并把問題解決在萌芽狀態確保核電安全運行，記者特邀請到上海材料研究所教授級高級工程師、上海市工程材料應用評價重點實驗室腐蝕實驗室主任李光福教授做相關方面的精彩解讀。

上海材料研究所教授級高級工程師，上海市工程材料應用評價重點實驗室腐蝕實驗室主任李光福教授

    順應形勢 發展核電關鍵材料

    目前全世界正在研發多種核能技術，包括第四代核能和被稱為“人造太陽”聚變能，人們希望核能能滿足世界能源的需求。可看到全世界核工業正在有力地發展，那么材料在核工業中發揮著怎樣舉足輕重的作用呢？

    李教授表示，盡管有日本福島以及前蘇聯切爾諾貝利和美國三里島幾次重大核事故和大量質疑，但全世界核工業正在有力地發展，比如我國正在批量化建設核電站、英國欣克利角項目合同正式簽訂、以及全世界正在研發多種核能技術，包括第四代核能和被稱為“人造太陽”聚變能，說明核電站的開發利用在當今人類社會發展中有堅實的基礎。

    20 世紀人類最偉大的創舉之一就是征服和有效利用核能，包括核能發電。

    電力消費水平是當今一個國家或者地區發展程度的重要標志，核能發電已經成為發達國家電力供應的主要形式之一，是經濟合作與發展組織（OECD）國家最大的低碳電力來源，超過 OECD 國家電力生產份額的 21%，占美國低碳電力的比例高達63%。 國際原子能機構 （IAEA） 預計，2030 年全球核電裝機容量將達 435 ~ 722GWe。國際能源署（IEA）預測，2035 年全球核電裝機容量將達到 578 GWe，核發電量將增加至 4300TWh，核發電量在全球總發電量中的份額約占 12%。鑒于核電已成為可大規模開發利用的能源，是能有效解決能源需求增長與過度依賴化石燃料消費帶來溫室效應和污染問題的少數答案之一，我國大約十年前將政策從“適度發展核電”改變為“積極發展核電”，截至目前，我國在役、在建核電機組總數達到 55 臺，總裝機容量 5600 多萬千瓦，在役核電機組已經超過韓國、俄羅斯，僅次于美國、法國、日本，列全球第四。

    世界和我國的主流堆型是壓水堆核電站，一座這樣的核電站有數百個系統、幾萬臺（套）設備，按結構位置可分為核島設備、常規島設備與 BOP（核電站配套子項）設備三大類，按照設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。核電設備的質量與可靠性，決定了核電的安全性和經濟性。 制造有核級要求的設備 （部件） ，其所用材料稱為核電關鍵材料。

2006年與IAEA專家組在田灣核電站，協助解決蒸汽發生器傳熱管問題

在國內召開的核電站設備可靠性等國際研討會上，為Peter Andresen等著名專家做大會翻譯

2013年為秦山核電站泄露管線失效分析與模擬驗證項目做現場調查

    核電站是高安全可靠性要求、高投資、高回報，材料在核電站中有極其重要的作用，在不同位置材料的服役環境不同。作為核電站核心的核島主設備包括反應堆壓力容器、蒸汽發生器、穩壓器、控制棒驅動機構、堆內構件、主管道、主泵等，是防止反應堆放射性外泄的第一道屏障，可靠性要求最高。由于長期在高溫、高壓和強輻射場條件下工作，對核電關鍵材料的要求也最嚴格，大量采用鋯合金、奧氏體不銹鋼、鎳基合金和低合金鋼等材料。常規島設備和BOP 設備材料主要為碳鋼和低合金鋼等，通常與放射性外泄關系不大，但由于核電的高度政治敏感性，一旦發生事故，即使與核安全無關，也會在社會上產生巨大反響。可以說材料在核工業中發揮著關鍵的作用。

    確保安全 將核電防腐進行到底

    作為項目主要負責人員，在核電材料腐蝕破裂問題方面，完成了多項國家和地方項目并作出重要貢獻，談及這些項目，李教授表示自 80 年代中期以來，他們上海材料研究所以楊武老師為首的團隊開展了這方面的研究和應用，獲得國家和地方不少獎，他 2002 年回國繼承了這方面的工作，得到了楊老師很多幫助。這十多年來他們在國家科技部社會公益基金、973 和能源局核電重大專項基金項目，以及上海市科委項目和產業界應用項目支持下，盡力在核電材料腐蝕破裂的研究和應用方面做工作，材料涉及鎳基焊縫和不銹鋼焊縫的異材焊接件、奧氏體不銹鋼和反應堆壓力容器用低合金鋼，有知識創新和工程問題解決，包括協助核安全局評審以解決若干重大不符合項工程問題。算上前面在國外的經歷，他在這個領域已有二十多年的耕耘，有不少感觸。

    核安全至關重要。核電設備若發生重要失效，不僅影響核電站的正常運行，還可能導致重大核事故的發生。核電發達國家經驗表明，材料腐蝕引發的核電設備失效行為占有很大的比重，損失或說耗費巨大，在核島、常規島和 BOP 不同結構位置服役條件不同，腐蝕的類型各有特色。瑞典核電監察機構的數據庫STRYK 對核電站材料各種失效事件的統計數據表明，腐蝕在 1000 多個失效事件中占絕對多數，首位是應力腐蝕破裂，其次是磨蝕，第三位為熱疲勞，第四位為振動疲勞。其余的是其它腐蝕、制造和安裝錯誤、力學失效等。

    美國在國會支持下于 1999 年開始對 1998 年度美國由于腐蝕導致的損失進行調查，于 2002 年發表了世界著名的調查報告，表明美國 1998 年腐蝕的直接耗費是 1379 億美元，電力系統為69 億美元，其中核電 42 億美元；火電19 億美元；水電及其它 1.5 億美元；輸電及分配 6 億美元。

    我國由于運行核電站的歷史相對較短，關于其失效事件統計平臺的國家級核電失效數據庫還處于建設的起步階段，盡管缺乏公開的統計數據，但已有許多腐蝕失效案例分析論文公開發表。

    預計隨著核電站建設數量的增多和運行年數的增加，腐蝕問題會不斷上升。

    應力腐蝕 現代高端工程中常見的失效問題

    李教授曾經在哈爾濱工業大學上研究生和工作期間，針對航天部火箭發動機殼體、緊固件和彈簧在自然環境以及氫作用下的延遲破裂問題，研究高強度鋼環境破裂失效控制性因素并做出過貢獻。他回憶說，1982 年他考上哈爾濱工業大學碩士研究生，師從早年留蘇學者吳忍畊教授和雷廷權教授，研究航天部產品用高強度鋼應力腐蝕破裂和氫脆問題。當時這個問題在工程上產生了許多隱患和失效甚至災難性后果。通常是產品通過各種檢測后，在長期的服役或存放過程中，沒有明顯生銹但是慢慢長出裂紋，比如多種型號的火箭導彈發動機殼體出現所謂存放裂紋，高強度螺栓和彈簧電鍍不電鍍都有不同程度的延遲破裂現象。令他印象深刻的一次工程實踐是參與火箭發動機殼體模擬件打壓驗證試驗，監測到了第一次打壓（代表過關檢測）順利通過但實際上小裂紋發生亞臨界擴展，導致第二次打壓（模擬正式使用時）發生低壓爆破，體驗了應力腐蝕氫脆在有關工程失效現象中起著關鍵作用。伴隨濃厚興趣的是研究的高難度，由于應力腐蝕發生在極其微小區域、氫擴散快又很難監測到，眾多因素都會影響表觀現象，工程問題復雜而實驗室探索的結果常常出乎意料，大量文獻里常見的是撲朔迷離的現象報道和不太周全的推理想象。

    他們的努力最終在關鍵材料因素的學術探索上和工程問題解決上都有收獲。這些高強度鋼發生應力腐蝕和氫脆的一個特征是裂紋很敏感地在低應力下沿原奧氏體晶界萌生和擴展，當時國際上大量的透射電鏡分析都未能在這些晶界上找到任何奇異相，有學者歸因于晶界上有硫磷偏聚，有的認為是高強度導致。他們也做了大量的探索，最終是用超高真空里打斷試樣的俄歇探針和 X 線光電子譜分析，發現這些淬火及低溫回火狀態的高強鋼沿原奧氏體晶界有一微層碳化物（基于晶體衍射原理的透射電鏡分析包括高分辨技術也很難發現它），再根據碳化物與基體界面是氫的強陷阱的數據，提出了控制高強鋼應力腐蝕和氫脆敏感性的碳化物與基體界面分布觀點，對化學成分和熱處理等因素的影響表現做出了新的解釋。這些研究結果在國內外重要刊物上發表，到現在對他們做許多工程失效分析時還有重要作用。

    核電腐蝕防護任重道遠 師夷長技以自強

    李教授曾經作為主要人員承擔并完成了來自日本、美國、英國核電工業的若干研究項目，并取得不少成果。當問及這方面的經歷和國內外核電防護的差別及需要改進的方面時，他回顧說，1994 年到英國紐卡斯爾大學留學，獲英國健康安全委員會（HSE）的核裝置監察機構與英國核電公司聯合資助，在Congleton 博士領導的實驗室研究壓水堆非均質焊接件在壓水堆各種高溫高壓水環境中的破裂、高溫水電化學行為及使用安全性；1998 年到日本東北大學工學部 T.Shoji 教授領導的斷裂和可靠性研究所，主要研究核電環境中壓力邊界材料及堆內構件的環境破裂特性、輻照和水化學影響、裂尖微區的溶液和顯微組織分析、定量預測模型等，并作為主要人員參與研究的立題、國際性研究項目的投標和項目完成的組織工作。2002 年回國后，一直在該領域耕耘，對國內外情況有一定了解。

    核電在經濟上占重要地位的國家，如美國、日本、法國、瑞典、德國、英國、芬蘭等，已充分認識到腐蝕失效是水堆核電站長期的、經常的、慢性的、損失巨大的工程問題，對電站的經濟運行甚至核安全是重要挑戰，而且隨著越來越多的核電站進入設計壽命的中后期甚至延壽期，腐蝕問題與老化問題相交織使得這一挑戰更加復雜，對此投入大量的人力物力研究其產生原因、過程、預測、防治和相關延壽方法，并普遍認為單靠某個組織甚至某個國家是難以做好的，因而組成了若干定期舉行研討會的會員制合作研究組織，如國際水堆材料環境促進破裂合作組織（InternationalCooperative Group on EnvironmentallyAssisted Cracking of Light Water ReactorMaterials，簡稱 ICG-EAC）等，甚至為一些共性的關鍵問題合作建立更進一步的會員制組織，提出重要研究課題進行國際招標，比如美國電力研究院（EPRI）牽頭建立的研究堆內構件輻照促進應力腐蝕破裂（IASCC）的 CIR 小組。部分研究結果公開發表在學術期刊和會議錄里，但有大量結果以內部報告方式在相關機構存檔或在某些封閉性合作研究組織如 ICG-EAC 的會議里交流。

    這方面已取得的大量科研成果不僅為核電發展成人類關鍵能源產業之一做出重要貢獻，也豐富和發展了腐蝕與防護科學，比如成功開發出了高溫高壓水環境中電化學測控技術和裂紋尖端采樣分析的實驗技術、長期監測腐蝕裂紋微小擴展的精密技術，發展了關于各種腐蝕失效的理論，特別是關于裂紋擴展及其影響因素和壽命預測的定性和定量模型和公式。長期細致的實驗研究對 SCC存在臨界應力、有害離子臨界濃度等傳統觀點提出了挑戰。

    隨著越來越多的核電站進入設計壽命的中后期甚至延壽期，腐蝕與老化相交織使得問題更加復雜。鑒于腐蝕失效等問題任重道遠，發達國家核電站多次突然出現壓力邊界等與核安全高度相關部位的腐蝕失效，導致多方面的嚴重損失，近年來以美日法瑞等國家為首的國際核能界倡導和積極推進材料退化主動評估計劃和國際合作研究組織及計劃，認為自從核電站開始運行，反應堆構件幾乎就開始經歷材料在水介質、高溫、輻照等服役環境條件下的退化，盡管管理機構和工業界已經對發生的問題采取行動以保持安全可靠性，但開發的解決措施有時會帶來新問題，更重要的是這些行動多為被動式反應，大大增加了財務和人力負擔，影響了管理的有效性和效率，侵蝕了公眾信心，有必要采取主動。

    與發達國家相比，我國核電建設起步較晚，工程經驗和科學研究與核電發達國家相比有不少差距，特別是在 2005年前“適度發展核電”的期間，核電腐蝕破裂研究方面有一段低谷，我所是咬牙堅持挺過了這段低谷時期。2005 年以來，我國積極發展核電，相應的工程經驗快速積累。腐蝕破裂方面的科學研究也有了明顯的發展，在國家 973 計劃、核電重大專項等項目的大力支持下，由中國科學院沈陽金屬所等單位牽頭，聯合包括我們所在內的近二十家科研院所、高等學校、核電裝備制造企業和核電設計運行單位，系統深入地開展了核電關鍵設備材料環境失效行為研究，在材料失效機理、輻照影響、腐蝕監測和防護等許多方面做了不少工作，培養了一批高素質的人才，形成了一批優秀成果。

    我國不久將成為世界上核電機組最多的幾個國家之一，部分核電站已經進入設計壽命的中后期，預計腐蝕問題會不斷增多，有必要加強基礎研究，注重工程應用解決實際問題，未雨綢繆，進一步加強國際合作，對于核安全密切相關的問題高度關注并采取主動，盡可能是預防并把問題解決在萌芽狀態，確保核電站安全。

    后記：

    “核電無小事”，廣大行內人士應時刻保持警惕，一方面，要吸取福島事故的教訓，不斷提高核安全預防和處置能力；另一方面，做好核電腐蝕與防護工作。在始終確保安全的前提下，讓核電為我國可持續發展做出貢獻！

    人物簡介

    李光福，上海材料研究所教授級高級工程師，上海市工程材料應用評價重點實驗室腐蝕實驗室主任。

    主要從事金屬材料腐蝕與破裂方面的研究和工業服務。

    主要工作成就：在核電材料腐蝕破裂問題方面，負責完成了國家能源局核電專項和科技部973重點基礎研究基金項目中的若干課題、上海市科委若干項目、以及來自于相關工業界的若干研究和工業服務項目。被國家核安全局聘為專家做材料腐蝕破裂與安全使用可靠性方面的專業咨詢，參與了秦山二期和田灣核電站等重要不符合項的審評，并做出貢獻。

    在高壓埋地管線材料腐蝕破裂問題方面，作為主要負責人員完成了國家973重點基礎研究基金項目《材料的環境行為與失效機理》中子課題《材料環境失效的壽命預測》的分項、上海市科委項目《燃氣輸送管網材料應力腐蝕破裂的預測與控制》和《西氣東輸用高壓管線鋼應力腐蝕開裂及其控制》，以及來自于相關工業界的研究和工業服務項目。

    在日本工作期間，作為主要人員承擔并完成了來自日本、美國核電工業的若干研究項目，研究核電環境中壓力邊界材料及堆內構件的環境破裂特性、輻照和水化學影響、定量預測模型等，并參與研究的立題、國際性研究項目的投標和項目完成的組織工作。

    在英國留學期間，作為主要人員承擔并完成了英國健康安全執委核裝置監察與英國核電公司聯合資助的研究項目，研究壓水堆非均質焊接件在壓水堆各種高溫高壓水環境中的破裂、高溫水電化學行為及使用安全性。

    在哈爾濱工業大學工作期間，針對航天部火箭發動機殼體、緊固件和彈簧在自然環境以及氫作用下的延遲破裂問題，研究高強度鋼環境破裂失效控制性因素并做出貢獻。

    共發表論文100余篇，參與編寫《現代材料腐蝕與防護》（上海交通大學出版社重點教材2012），參與編寫《中國材料工程大典》（國家重點圖書，化學工業出版社2006）第26卷：材料表征與檢測技術，參與翻譯《尤利格腐蝕手冊》（化學工業出版社2005）。

    主要社會兼職：中國腐蝕與防護學會常務理事、中國腐蝕與防護學會能源工程委員會委員、中國腐蝕與防護學會氫脆及應力腐蝕專業委員會委員、上海腐蝕科學技術學會常務理事、期刊《腐蝕與防護》副主編和編委會編委、中國動力工程學會材料專業委員會委員、上海高校電力腐蝕控制與應用電化學重點實驗室學術委員會委員、國際輕水堆核電站材料環境促進破裂合作組織（ICG-EAC）上海材料研究所代表、世界材料研究所論壇（WMRIF）上海材料研究所代表。