利用核燃料（鈾235、钚256、鈾233）或可聚變核素（氘、氚）裂變反應(yīng)或核聚變反應(yīng)產(chǎn)生熱能轉(zhuǎn)為動力的裝備稱為核裝備，發(fā)出的核電，是當今三大電之一，與火電、水電并列。核動力裝備包括核反應(yīng)堆、產(chǎn)生動力的系統(tǒng)和設(shè)備，以及為保證設(shè)備正常運行、人員健康和安全所需要的系統(tǒng)和設(shè)備等三個主要部分。核電站反應(yīng)堆型主要有沸水堆、壓水堆、氣冷堆和快中子堆四種。核動力裝備主要應(yīng)用于發(fā)電、艦艇和空間技術(shù)。核裂變技術(shù)已成熟，而可控的核聚變技術(shù)尚處于研發(fā)階段，首個實用核聚變反應(yīng)裝備可能還需要七八年才能面世。
　　核裂變是一種物理現(xiàn)象，簡稱裂變，一個重原子核分裂成兩個中等質(zhì)量的核叫裂變。一個鈾235（質(zhì)量數(shù)是235的軸）核裂變釋放的能量約200MeV。平均每個核子釋放0.85MeV。1kg鈾235核完全裂變放出8.36×1013J的能量，相當于2×104t梯恩梯（TNT）爆炸，1tTNT爆炸產(chǎn)生4.18×109 J的能量。易裂變的核有鈾235、钚239、鈾233。鈾彈一般裝15kg~25kg鈾，钚彈一般裝5kg~10kg钚。核電站（原子能發(fā)電站）是利用人為控制的緩慢裂變反應(yīng)釋放的能量發(fā)電。一座100萬kW的核電站每年只需30t濃縮鈾，而同等功率的火電站每年需耗2.5×106（2.5百萬）t煤，同時放出大量的CO2與含硫的有害氣體，以及固體廢棄物。
　　核聚變也是一種物理現(xiàn)象，是輕原子核聚合成較重原子核的核反應(yīng)。一個2H（氘）核和一個3H（氚）聚合成一個4He（氦）核，放出一個1n（中子），同時釋放17.58MeV的能量，平均每個核子釋放3.84MeV，是裂變反應(yīng)平均每個核子釋放能量的4.5倍。4個1H（氫）聚變合成一個4He核，釋放24.7MeV＝3.95×1012J能量。太陽輻射的能量為1.28×1044J，就來源氫聚合成氦的聚變反應(yīng)。實現(xiàn)核聚變反應(yīng)需達到108K左右的高溫，目前只有原子爆炸才能達到如此高的溫度。氫彈就是利用原子彈爆炸時的高溫引起氫原子核聚變瞬間釋放巨大能量起殺傷破壞作用的。
　　含有易裂變核素如鈾235、钚259、鈾233或可聚變核素如氘和氚在反應(yīng)堆中可以發(fā)生自持的核反應(yīng)并連續(xù)釋放能量的材料稱為核燃料，1kg鈾235完全裂變發(fā)生的熱量約為2.2×107 kWh，并產(chǎn)生裂變產(chǎn)物。共產(chǎn)生的熱量為1kg標準煤燃燒產(chǎn)生的熱量大280萬倍多，1kg氘裂變所釋放的能量比1kg鈾235的約大3倍。氫有3種同位素：氫1（氫）、氫2（氘）、氫3（氚），海水中有的是鈾和氫，以每1000t海水含3g鈾計算，全球海洋中鈾的蘊藏量可超過40億t，海水中的氘和氚也是取之不盡，用之不竭。核燃料有的是，一旦核裂變裝置投入商業(yè)營運，世界能源問題就徹底解決了，我們的子孫萬代就享清福了。氘（dao）也叫重氫，氫的同位素之一，符號為D或2H，質(zhì)量數(shù)2，主要存在于重水中，用于熱核反應(yīng)。氚（chuan）也叫超重氫，氫的同位素之一，符號T或3H，質(zhì)量數(shù)3，有放射性，用于熱核反應(yīng)。
　　主席總理頻推核電
　　裝備與技術(shù)出海指日可待
　　2014年，隨著中國領(lǐng)導人外交活動的加強，與高鐵類似，核電也屢屢成為國家領(lǐng)導人出訪與外交活動推介的響當當?shù)?ldquo;中國制造”金字國家名片。在2014年，中國核電企業(yè)（中廣核、中核集團、中電投）與法國、阿根廷、意大利、西班牙、加拿大、捷克、哈薩克斯坦等國簽署了有關(guān)核電合作的文件。由中核和中廣核聯(lián)手打造的“華龍一號”與國家核電公司研發(fā)的CAP1400為骨干的核電裝備或?qū)⒊蔀槌龊５念^批產(chǎn)品。
　　2015年1月15日，習近平主席指出，核工業(yè)作為最高科技戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)，是國家安全的重要基石；要堅持安全發(fā)展、創(chuàng)新發(fā)展，堅持和平利用核能，全面提升核工業(yè)的核心競爭力。無疑，習主席的指示是國家發(fā)展核工業(yè)的指路明燈。
　　2015年2月5日，習主席在人民大會堂同阿根廷總統(tǒng)克里斯蒂娜舉行會談，表示后期將核電作為雙方合作的重點。同日，阿根廷總統(tǒng)隨即對外宣稱，阿根廷與中國簽署了核電合作協(xié)議，利用中國“華龍一號”建設(shè)兩座核電站，總投資超過128億美元。“華龍一號”核電技術(shù)的成套出口，在一定程度上體現(xiàn)了國際市場對中國自主開發(fā)的獨立自主知識產(chǎn)權(quán)的第三代核電技術(shù)的認可，它承載著中國人闖蕩天下的重要一步，但這僅是中國核電技術(shù)出海的開始。
　　2015年1月28日，李克強總理主持召開國務(wù)院常務(wù)會議，部署加快鐵路、核電、建材等中國裝備“走出去”，推進國際合作，提升合作層次。會議確定，大力開拓鐵路、核電等重大裝備國際市場，整合行業(yè)資源，創(chuàng)新對外合作模式。
　　在工業(yè)發(fā)達國家，核電站的建設(shè)已有60多年的歷史，是一個成熟的產(chǎn)業(yè)，截至2013年，美國的裝機容量已超過10000萬kW，世界第一，其他依次遞減次序為法國、日本、德國、俄羅斯、英國、韓國、加拿大、瑞典、西班牙（730萬kW）。
　　2011年3月日本福島核電事故發(fā)生之后，中國國內(nèi)的核電建設(shè)曾一度暫停，2013年12月以前中國只有17臺核電機組運行，但在所有發(fā)電量中的占比也只有不到2%，與國外有些國家的百分五六十相差甚遠，據(jù)中國核能行業(yè)協(xié)會的統(tǒng)計，2014年共有5臺核電機組投入商業(yè)運行，因此至2014年年底中國投入商業(yè)運行的核電機組共22臺，累計發(fā)電量1305.80億kWh，約占全國總發(fā)電量的2.39%。臺灣省的核電裝機容量約占全島總發(fā)電裝機容量的60%。
　　中國《核電中長期發(fā)展規(guī)劃（2011~2020）》要求，在2015年以前，中國在運行的核電裝機達到4000萬kW，在建1800萬kW；到2020年，中國營運核電裝機應(yīng)達到5800萬kW，在建3000萬kW，為此，在到2020年為止的這段時間內(nèi)，核電裝機容量的復(fù)合增長率應(yīng)達到18%，核工業(yè)的直接用鋁量的復(fù)合增長率也應(yīng)達到18%。
　　不管是國內(nèi)核電項目的建設(shè)速度，還是核電裝備走出去的步伐都在快速提升，而且不是短期的，復(fù)合增長率有可能達20%，鋁材的增長潛力很大。據(jù)《新京報》（2015年2月10日）報道，在國務(wù)院直接指示下，國家發(fā)改委正在牽頭制定《關(guān)于加快裝備走出的指導意見》，目前初稿已完成，而工信部、商務(wù)部也將配合意見出臺政策。所支持的產(chǎn)業(yè)包括鐵路、核電、建材生產(chǎn)線、鋼鐵、有色、建材、輕紡等。
　　據(jù)國際原子能機構(gòu)預(yù)測，到2030年全球的核電裝機容量至少增加40%。未來10年，除中國外，全球約有60臺至70臺100萬kW級核電機組建設(shè)，海外核電市場空間將達1萬億元，據(jù)筆者預(yù)測，同期中國國內(nèi)建設(shè)的核電機組數(shù)量及裝機總?cè)萘看笾屡c國外的相等，但市場空間約為國外的75%，即約低25%。
　　核裝備越洋過海
　　高精鋁材全程護航
　　中國核工業(yè)已近60年，已經(jīng)設(shè)計與建造了生產(chǎn)堆、研究堆和核潛艇動力堆等。各工業(yè)發(fā)達國家為解決人類未來能源正在對核聚變反應(yīng)堆的開發(fā)進行大量的研究工作。
　　在核工業(yè)中鋁及鋁合金主要用作低、中溫水堆（石墨水生產(chǎn)堆、實驗研究水堆及某些重水實驗堆）燃料元件的包殼、工藝管、輔助管道及其他結(jié)構(gòu)材料等。工業(yè)純鋁在溫度為100℃~130℃的水冷反應(yīng)堆中得到廣泛的應(yīng)用。
　　反應(yīng)堆鋁材應(yīng)具備的特性
　　鋁材之所以在反應(yīng)堆中得到廣泛應(yīng)用，除了它具有眾所周知的優(yōu)良性能外，在核工程性能方面還有一些特異的性能：對熱中子的吸收截面小，為0.22×10-24cm2，僅比鈹、鎂、鋯的大一些，而比其他金屬的小得多，因此，鋁是性價比優(yōu)秀的上等材料；輻照感應(yīng)放射能衰減快，高純鋁在停止輻照后一周內(nèi)，放射能就急劇下降；反應(yīng)堆壁濺蝕小，在175℃以下耐輻照，輻照損失小，空穴率低。
　　在反應(yīng)堆中，作為熱交換介質(zhì)的水所引起的腐蝕比常規(guī)熱電站中的嚴重得多。一般說來，鋁材在50℃以下的水中發(fā)生點蝕，在50℃~250℃水中以均勻腐蝕為主，在300℃以上水中則發(fā)生晶間腐蝕。
　　實踐證明：選用耐點蝕的鋁合金；提高鋁合金純度，以免產(chǎn)生陽級性的夾雜物；提高堆用水純度，嚴格控制水中有害離子含量都是提高鋁材耐點蝕的有效措施。此外，對鋁材進行陽極氧化處理也能提高其對點蝕的抵抗能力，不過水的溫度不能高于100℃，否則效果不佳。
　　作為元件包殼或工藝管的鋁材，在加工、運輸與安裝過程中，其表面都不可避免地會產(chǎn)生種種避部損傷，如劃痕、碰傷、氧化膜缺陷等，它們加速陰極去極化反應(yīng)，也易使電位比鋁的更正的重金屬在此處沉積，從而加速鋁陰極的離子溶解作用，加速腐蝕。但只要損傷深度不超過一定值（低溫水堆用的鋁材的容許安全值為0.15mm~0.30mm），不會引起異常的加速腐蝕，在低溫水堆的特定條件下，可安全使用。
　　1965年以前中國所需的工藝管全部從蘇聯(lián)引進，1958年哈爾濱鋁加工廠（現(xiàn)在的東北輕合金有限責任公司）開始二期項目建設(shè)，其中有工藝管車間，有成磁療的軋管、精整、陽極氧化設(shè)備，原為蘇聯(lián)緩建項目，后由于蘇聯(lián)中止援助，中途一度停建，爾后自力更生建設(shè)，1965年才建成投產(chǎn)，設(shè)計生產(chǎn)能力50t/a。1966年生產(chǎn)工藝管4934根，33t，管的外徑43mm，內(nèi)徑41mm，當時的合金牌號為LT24。后來又在西北鋁加工廠建了一個工藝管車間，所以現(xiàn)在中國可生產(chǎn)工藝管的企業(yè)有2個。
　　在中溫水中，鋁主要發(fā)生均勻腐蝕。因此，水中的離子對其腐蝕的影響不像低溫時那樣顯著與敏感，而合金成分、晶粒大小與組織狀態(tài)卻起著較大的作用。在6xxx系合金中，最好不存在過剩的Si相。向合金中同時加入Fe及Ni（0.3%~0.4%），并使其質(zhì)量比為1，以形成氫超電壓較低的Al9FeNi相，可提高合金的抗腐蝕性。因為有Al9FeNi相存在時，氫可以從其質(zhì)點處逸出，鋁基地不會產(chǎn)生陰極反應(yīng)。
　　在高于130℃的動水中，陽極化膜易剝落，不耐腐蝕，但預(yù)生氧化膜（材料使用前，將其置于一定溫度的高純靜水中一定的時間所形成氧化膜）可提高合金的抗中、高溫動水腐蝕的能力。
　　對堆用鋁材危害最大的是晶間腐蝕，是由晶界區(qū)和晶?；w之間的電位差引起的。因此，凡能降低這種電位差的措施都能提高合金抗晶間腐蝕的能力。
　　防止鋁材晶間腐蝕極有效的措施是向鋁中添加一定量的Fe與Ni，使之形成氫超電壓較低的陰極相Al3Fe、Al3Ni與Al9FeNi等。這就是中、高溫堆用鋁材大都含有一定量的Ni與Fe的緣故。向Al-Mg-Si合金添加一定量的Cu也能提高合金抗晶間腐蝕的能力。
　　合金的晶粒越細，抗晶間腐蝕的能力也相應(yīng)地提高一些，熱處理條件也對合金晶間腐蝕有明顯影響。高溫退火往往使呈陰極的第二相沿晶界沉淀與使晶粒長大，增加合金的晶間腐蝕敏感性。
　　大家知道，金屬材料的晶粒越細，組織越均勻，抗蝕性也越高，所以往往向鋁合金中添加微量的晶粒細化元素。但是對反應(yīng)堆鋁合金來說，應(yīng)考慮數(shù)量元素的熱中子吸收截面，例如天然硼的熱中子吸收截面為755×10-24cm2，而B10的卻高達3800×10-24cm2，含硼的合金及純硼是很好的屏蔽材料與控制材料，但對非屏弊材料來說，卻是一個有害元素，應(yīng)嚴加控制。美國鋁業(yè)協(xié)會及材料試驗學會（ASTM）規(guī)定8001合金的B含量不得大于0.001%。
　　鋯的熱中子吸收截面相當小，只有0.18×10-24cm2，鈦的為5.6×10-24cm2，鉻的為2.9×10-24cm2，可作為反應(yīng)堆鋁材的微量添加元素。
　　反應(yīng)堆鋁材
　　反應(yīng)堆鋁材可分為兩種：溫度在130℃以下的低溫堆用元件包殼及結(jié)構(gòu)材料，主要是工業(yè)純鋁1100與6063合金；使用溫度不超過400℃的中溫堆用材料，如Al-Ni-Fe系、Al-Si-Ni系合金，其中典型的是美國的8001合金。
　　在美國廣泛采用工業(yè)純鋁1100（質(zhì)量%：0.05~0.20Cu、0.05Mn、0.10Zn、0.95Si+Fe，其他雜質(zhì)單個0.05、總計0.15，99.00Al），蘇聯(lián)及俄羅斯采用Al-Mg-Si系合金CAB-1（0.45%~0.90%Mg、0.7%~1.2%Si，其余為Al與不可避免雜質(zhì)）作為壓水型反應(yīng)堆MP、BBP-M等的結(jié)構(gòu)材料及工藝管材料。但這些材料的最高工作溫度為130℃，如溫度更高，則需用其他鋁材。
　　工作溫度為130℃~400℃的鋁合金有：中國的306合金（約含7%Si與0.65%Ni，其余為Al及不可避免雜質(zhì)），它的熱中子吸收截面小，對中、高溫水有高的抗蝕性，有相當好的室溫及同溫力學性能，加工成形性優(yōu)秀，可作管狀元件及板狀元件的包殼材料。
　　國外采用鋁－硅－鎳合金作為元件的包殼材料，在高溫水中有良好的抗蝕性。后一個合金在260℃~300℃水中的抗蝕性比8001合金的高。
　　在某些情況下，如果作為屏蔽材料的混凝土的質(zhì)量與體積不能滿足要求，或不便使用時，則除水以外，還可以用一種名為“波拉爾（Boral）”的鋁板作為屏蔽，它是一種含有碳化硼（B4C）的復(fù)合鋁合金，因為它有良好的中子吸收性能，在其表面包覆一層1100工藝純鋁。
　　核聚變鋁材
　　當前，一些國家為了解決人類未來能源問題，還在開發(fā)核聚變反應(yīng)堆，其中美國的成就最突出，2010年11月20日被譽為“人造太陽”（核聚變試驗堆）的美國國家點火裝置（NIF）開始點火運轉(zhuǎn)，產(chǎn)生6×106 °F的高溫，相當于恒星或大行星核心溫度，達到了核聚變所需的溫度。
　　核聚變反應(yīng)堆是將氘（D）和氚(T)產(chǎn)生的高溫等離子體封閉起來，進行核聚變反應(yīng)，反應(yīng)堆應(yīng)該用放射能衰減快的、停堆后短時間人可以接近的、殘余放射能小的材料的制成。鋁合金是一種低感應(yīng)放射能材料，是一種較為理想的熱核反應(yīng)堆材料。
　　熱核反應(yīng)堆材料除要求感應(yīng)方式能小外，在120℃還應(yīng)有相當高的強度。由于磁場作用會產(chǎn)生渦流，鋁合金的電阻應(yīng)大一些，還應(yīng)有良好的成形性能、加工性能、真空性能與導熱性。
　　研究表明，殘余感應(yīng)放射能低的材料是C、SiC與純鋁，但C及SiC的加工成形性能差，不易加工大的構(gòu)件，現(xiàn)在日本的R計劃、國際原子能機構(gòu)的INTOR項目和美國的STARFIRE核聚變反應(yīng)堆的研究都把鋁合金作為研發(fā)的首要材料。
　　在元素周期中，對14.1MeV中子引起的感應(yīng)放射能低的元素只有Li、Be、C、Mg、Al等。因此，核聚變反應(yīng)堆鋁材的研究開發(fā)對象無疑當是以高純鋁為基礎(chǔ)的Al-Mg-Si系、Al-Mg 系、Al-Si系、Al-V系、Al-V-Si系、Al-Mg-V系、Al-Mg-Li系合金及燒結(jié)鋁合金（SAP）。在這類材料中，應(yīng)嚴格控制鋁合金的常用合金元素Fe、Cu、Cr等的含量。
　　據(jù)美國國家點火裝置的官員估計，使用核聚變反應(yīng)堆的發(fā)電站將于2020年開始運行，到2050年將有25%的美國民用能源由核聚變提供。海水中有的是氘，1gal海水可提供相當于300gal汽油產(chǎn)生的能量，50gal海水所產(chǎn)生的能量相當于2t煤的。核聚變很環(huán)保，大規(guī)模應(yīng)用后，可以少使用化石燃料，從而大大降低溫室氣體排放。一旦我們掌握了核聚變發(fā)電技術(shù)，我們的子孫后代將享受到科技發(fā)展帶來的飛躍，能源短缺的時代將一去不復(fù)返，鋁在迎接這個時代的到來將發(fā)揮重要的作用。
　　在中國發(fā)電裝機容量中，核電裝備占的比例甚低，在今后二十年內(nèi)，核電裝備用鋁量的年平均增長率可達20%或更大一些，成為高精鋁材應(yīng)用方面的又一新亮點。核電裝備所需的鋁材中國都能生產(chǎn)，但是生產(chǎn)工藝管的企業(yè)只有東北輕合金有限公司和中鋁西北鋁，在研發(fā)核電站用鋁材方面與工業(yè)發(fā)達國家的相比還有較大差距，亟待加強與加大投入。（來源：中國有色金屬報 作者：王祝堂）

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