目前,我国及世界核能发电快速发展,典型代表如大亚湾及岭澳核电站(下图). 但切尔诺贝利事故、美国三哩岛核事故、福岛事故为世界带来惨痛教训,因此核电发展更加注重安全性.
大亚湾及岭澳核电站全景图
(一)反应堆压力容器(RPV)钢的辐照损伤
反应堆压力容器
核反应堆的核心关键构件之一是反应堆压力容器(Reactor Pressure Vessel,RPV),它起着容纳冷却剂、支撑堆心、密封放射性物质、保持堆内运行压力等作用,被定为核安全一级设备,在任何情况下都不允许容器破坏和泄漏.
在服役过程中,核电站反应堆正常运行时,RPV钢处于大约330℃的温度下承受一回路水施加的应力作用.同时,反应堆内的核裂变反应产生大量高能辐照粒子, RPV钢受到堆内中子、带电粒子和γ射线等粒子的辐照,形成辐照而造成损伤,材料组织发生变化,导致性能退化.RPV钢的力学性能,尤其是韧性,随着承受中子辐照剂量的累积逐渐降低.从安全性角度出发,核反应堆需要RPV钢在经历足够长时间的中子辐照后,仍然具有足够高的韧性,以防止地震等极端情况下发生脆性断裂引发灾难性事故.
RPV钢的安全使用寿命往往决定这核电站的总体寿命. RPV所用钢种为低碳低合金贝氏体钢,要求RPV钢具备中温下良好的力学性能,包括强度、塑性、冲击韧性、断裂韧性等性能,还必须具有良好的抗中子辐照性能.
(二)RPV钢辐照损伤形式
一般而言, RPV钢的中子辐照损伤主要表现在如下三个方面:
1、辐照导致基体缺陷增多.RPV钢晶体中的原子受到中子轰击后,原子离位,萌生空位和自间隙原子团.空位聚集演化出微空洞、层错、 离位峰模型体、位错环等基体缺陷.这些缺陷通过短程或长程应力场的作用,增大位错移动的阻力,造成材料的硬化与脆化.
2、辐照导致富Cu团簇的析出.这样纳米尺度的析出相对RPV钢基体中的位错具有钉扎作用,使位错滑移困难,产生硬化.
3、辐照诱发晶界偏析.中子辐照会诱发空位、自间隙原子等基体缺陷,这些缺陷常通过快速扩散的通道在晶界处聚集和重新分布.受缺陷处畸变场影响,钢中杂质和溶质原子也倾向于在缺陷处重新分布,导致这些元素在晶界处富集或贫化,从而影响材料的力学性能.例如,在中子辐照的条件下,尺寸较小的杂质原子P会在晶界富集,降低晶界结合力,引起晶间脆性断裂.
(三)RPV用Mn-Ni-Mo系低合金高强度钢
核电站最普遍使用的RPV钢为Mn-Ni-Mo系低合金高强度钢,第二代钢A302B提高Mn含量,并加入Mo元素,以改善其淬透性和高温性能.随着核电站向大型化发展,目前广泛使用的A508-III钢具有较好的焊缝耐辐照性,可提高抗热裂纹性能.其中C为钢的强化元素,可以显著地提高钢的强度,但同时也会降低钢的塑性和韧性;Mn、Mo能提高钢的淬透性和高温性能;Ni可以提高钢的韧性,尤其是低温韧性;Cr可以显著地提高钢的淬透性和抗腐蚀能力;而Cu、P、S等为杂质元素,在RPV钢中形成偏聚或析出,损害RPV钢的抗中子辐照性能.
(四)RPV钢辐照损伤评估方法
利用无损检测技术科有效地跟踪、评价RPV钢的中子辐照脆化进程,如主曲线评价法、磁性检测法、内耗检测法等.
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