目前,我國及世界核能發(fā)電快速發(fā)展,典型代表如大亞灣及嶺澳核電站(下圖). 但切爾諾貝利事故、美國三哩島核事故、福島事故為世界帶來慘痛教訓(xùn),因此核電發(fā)展更加注重安全性.

大亞灣及嶺澳核電站全景圖

    (一)反應(yīng)堆壓力容器(RPV)鋼的輻照損傷

反應(yīng)堆壓力容器

    核反應(yīng)堆的核心關(guān)鍵構(gòu)件之一是反應(yīng)堆壓力容器(Reactor Pressure Vessel,RPV),它起著容納冷卻劑、支撐堆心、密封放射性物質(zhì)、保持堆內(nèi)運行壓力等作用,被定為核安全一級設(shè)備,在任何情況下都不允許容器破壞和泄漏.

    在服役過程中,核電站反應(yīng)堆正常運行時,RPV鋼處于大約330℃的溫度下承受一回路水施加的應(yīng)力作用.同時,反應(yīng)堆內(nèi)的核裂變反應(yīng)產(chǎn)生大量高能輻照粒子, RPV鋼受到堆內(nèi)中子、帶電粒子和γ射線等粒子的輻照,形成輻照而造成損傷,材料組織發(fā)生變化,導(dǎo)致性能退化.RPV鋼的力學(xué)性能,尤其是韌性,隨著承受中子輻照劑量的累積逐漸降低.從安全性角度出發(fā),核反應(yīng)堆需要RPV鋼在經(jīng)歷足夠長時間的中子輻照后,仍然具有足夠高的韌性,以防止地震等極端情況下發(fā)生脆性斷裂引發(fā)災(zāi)難性事故.

    RPV鋼的安全使用壽命往往決定這核電站的總體壽命. RPV所用鋼種為低碳低合金貝氏體鋼,要求RPV鋼具備中溫下良好的力學(xué)性能,包括強度、塑性、沖擊韌性、斷裂韌性等性能,還必須具有良好的抗中子輻照性能.

    (二)RPV鋼輻照損傷形式

    一般而言, RPV鋼的中子輻照損傷主要表現(xiàn)在如下三個方面:

    1、輻照導(dǎo)致基體缺陷增多.RPV鋼晶體中的原子受到中子轟擊后,原子離位,萌生空位和自間隙原子團(tuán).空位聚集演化出微空洞、層錯、 離位峰模型體、位錯環(huán)等基體缺陷.這些缺陷通過短程或長程應(yīng)力場的作用,增大位錯移動的阻力,造成材料的硬化與脆化.

    2、輻照導(dǎo)致富Cu團(tuán)簇的析出.這樣納米尺度的析出相對RPV鋼基體中的位錯具有釘扎作用,使位錯滑移困難,產(chǎn)生硬化.

    3、輻照誘發(fā)晶界偏析.中子輻照會誘發(fā)空位、自間隙原子等基體缺陷,這些缺陷常通過快速擴散的通道在晶界處聚集和重新分布.受缺陷處畸變場影響,鋼中雜質(zhì)和溶質(zhì)原子也傾向于在缺陷處重新分布,導(dǎo)致這些元素在晶界處富集或貧化,從而影響材料的力學(xué)性能.例如,在中子輻照的條件下,尺寸較小的雜質(zhì)原子P會在晶界富集,降低晶界結(jié)合力,引起晶間脆性斷裂.

    (三)RPV用Mn-Ni-Mo系低合金高強度鋼

    核電站最普遍使用的RPV鋼為Mn-Ni-Mo系低合金高強度鋼,第二代鋼A302B提高M(jìn)n含量,并加入Mo元素,以改善其淬透性和高溫性能.隨著核電站向大型化發(fā)展,目前廣泛使用的A508-III鋼具有較好的焊縫耐輻照性,可提高抗熱裂紋性能.其中C為鋼的強化元素,可以顯著地提高鋼的強度,但同時也會降低鋼的塑性和韌性;Mn、Mo能提高鋼的淬透性和高溫性能;Ni可以提高鋼的韌性,尤其是低溫韌性;Cr可以顯著地提高鋼的淬透性和抗腐蝕能力;而Cu、P、S等為雜質(zhì)元素,在RPV鋼中形成偏聚或析出,損害RPV鋼的抗中子輻照性能.

    (四)RPV鋼輻照損傷評估方法

    利用無損檢測技術(shù)科有效地跟蹤、評價RPV鋼的中子輻照脆化進(jìn)程,如主曲線評價法、磁性檢測法、內(nèi)耗檢測法等.

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