核電建設拉動的高精鋁材需求

　西鋁—西鋁鋁產業電訊：據有關報道，至2018年2月全球有72個國家已經或正在計劃發展核電，其中“一帶一路”相關國家占大多數。據國際原子能機構統計，2030年前，全世界將新建機組300臺，其中80%左右落戶“一帶一路”相關國家。中國中核集團完整的核工業產業鏈在推動著“一帶一路”的建設滾滾向前，市場容量可達1000萬億美元。

　　核電站用些什么鋁材

　　不管核電站用的是什么堆型（沸水堆、壓水堆、氣冷堆和快中子堆）都要用一定量的鋁及鋁合金材料。在核工業中，鋁材主要用做中、低溫堆燃料元件的包殼、工藝管、輔肋管道等，工業純鋁在溫度為100℃~130℃的水冷反應堆中得到廣泛的應用。

　　堆用鋁材的要求

　　堆用鋁材除應具有常規的優良性能外，還應有小的熱中子吸收截面，鋁的為0.22×-24cn2，僅比Be、Mg、Zr的大，而比其他金屬的小得多；輻照感應放射能衰減快，高純鋁在停止輻照后的7天內就急劇下降；反應堆壁的濺蝕??；在175℃以下鋁耐輻照，產生的空穴率小。

　　在反應堆中，作為熱交換介質的水所引起的腐蝕比熱電站中的嚴重得多。通常，鋁材在50℃以下的水中發生點蝕，在50℃~250℃水中以均勻為主，在≥300℃水中則發生晶間腐蝕。因此，堆用鋁合金應有高的純度，嚴格控制水的純度，是防止點蝕的有效措施；此外，對鋁材進行陽極氧化處理也是提高抗蝕性的好辦法，但僅在<100℃水中才有高的抗蝕能力。

　　作為包殼材料的8001合金和工藝管的6063型合金，在加工、運輸、安裝過程中，其表面都不可避免地會產生種種局部損傷，如劃痕、碰傷、氧化膜缺陷等，這將使它們加速腐蝕。但是，只要損傷深度≤0.3mm，就不會引起異常的加速腐蝕。同時，鋁在低溫水堆的特定條件下可安全使用。我國有些工廠在生產6063型合金工藝管時，在陽極氧化后套上白布袋，并以專用車廂運抵用戶，以防損傷。

　　在中溫水中，鋁以均勻腐蝕為主。因此，水中的離子對其腐蝕影響不像低溫時那么顯著與敏感，而合金成分、晶粒大小與組織狀態卻起著相當大的作用。在Al-Mg-Si系的6063型合金中不宜有過剩硅，Si與Mg應全部形成Mg2Si，即Mg/Si含量=1.736463合金即是一種這樣的合金。向合金中加入等量的鐵與鎳（0.3%～0.4%）可形成Al9FeNi相，可提高合金的抗蝕性。

　　在高于130℃的動水中，陽極氧化膜易脫落，不耐腐蝕，但預生氧化膜（材料使用前，將其置于一定溫度高純水中一定時間所形成的氧化膜）可提高合金抗中、高溫動水腐蝕能力。

　　對堆用鋁材危害最大的晶間腐蝕，是由晶界與晶?；w間的電位差引起的。因此，凡是能降低這種電位差的措施，都能提高合金將晶間腐蝕的能力，向鋁合金添加一定量的鐵與鎳可形成氫超電壓較低的陰極相Al3Fe、Al3Ni、Al9FeNi等，提高抗晶體腐蝕的能力，這就是中、高溫堆用鋁材都含有鐵與鎳的緣故；向A-Mg-Si系合金中添加少量銅，也能提高合金抗晶間腐蝕能力。

　　合金晶粒越細，抗晶間腐蝕能力也越強。熱處理工藝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，增大合金晶間腐蝕敏感性。

　　微量元素對堆用鋁合金性能的影響

　　眾所周知，晶粒越細，組織越均勻，抗腐蝕性也越高，所以往往向鋁合金中添加微量晶粒細化劑，但是對堆用鋁合金應考慮微量元素的熱中子吸收截面。例如天然硼的熱中子吸收截面55X10-24cm2，而B10的竟高達3800x10-24cm2,所以硼及其合金是很好的屏蔽材料與控制材料，但對非屏蔽材料來說，卻是一個有害的元素，例如作為堆用材料的8001合金的含硼量應≤0.001%。鋯的熱中子吸收截面相當小，只有0.18X10-24cm2，Ti的為5.6x10-24cm2，可作為堆用材料的微量添加元素。

　　堆用鋁合金

　　反應堆鋁材有兩種，溫度≤130℃的低溫堆用元件包殼及結構材料，主要用的是工業純鋁與Al-Mg-Si系合金，使用溫度≤400℃的中溫堆用材料主要是8001合金，它是一種非常用的Al-Mg-Ni系合金，是1999年在美國鋁業協會注冊的美國合金，其成分（質量%）：0.17Si，（0.45~0.7）Fe，0.15Cu，（0.9~1.3）Ni，0.05Zn，0.001B，0.008Li，0.003Cd，0.001Co，其他雜質單個0.05、合計0.15，其余為Al；還可以用Al-Si-Ni系合金。在美國還廣泛采用1100合金作包殼材料，它的成分（質量%）：（0.05~0.20）Cu,0.05Mn,0.10Zn,0.95(Fe+Si),其他雜質單個0.05、合計0.15，Al≥99.00。

　　在工作溫度≤400℃的中溫堆中，我國用含7%Si及0.65%Ni的合金作包殼材料，它的熱中心吸收截面小，對中、高溫水有高的抗蝕性，有相當高的室溫及高溫力學性能，加工性能好，用作管元件及板元件的包殼材料。

　　國外有采用（9%~12%）Si、（1%~1.5%）Ni的合金與11%Si、1.0%Ni、0.5%Fe、0.8%Mg、0.1%Ti的Al-Mg-Ni合金作元件包殼材料的，它們在高溫水中有良好的抗腐蝕性能，后一個合金在260℃~300℃水中的耐腐蝕性能比8001合金的還高。

　　此外，在某些特殊情況下，如果作為屏蔽材料的混凝土的質量與體積不能滿足要求或不便使用時，則除水以外。還可用一種名為波拉爾（Boral）的鋁板作為屏蔽材料，它是一種含有碳化硼的鋁合金，熱軋Boral板時，在其表面包覆一層1100工藝純鋁。Boral一詞就是2（boron）和鋁（alminium)的復合詞。

　　熱核聚變反應堆鋁材唱主角

　　核聚變反應堆是將氘（D）和氚（T）產生的高溫等離子體封閉起來，進行核聚變反應，形成較重的氕的過程，正好與前面介紹的核裂變反應堆相反。核聚變反應堆應該用感應放射能衰減快的、停堆后短時間人可以接近的、殘留放射能少的材料制成，鋁材正是這樣一種較為理想的材料。美國從1997年起斥資235億美元建造的“人造太陽”的美國國家點火裝置（NIF）的130t重目標靶室就是用厚達250mm的鋁合金5083板制造的。2010年11月2日，進行了首次點火實驗，用192束激光束一齊瞄準一顆只用花生粒大小卻含有氘和氚氣體的小球體，它們立馬發生聚變，釋放出1.3MJ能量，其核心最高溫度600萬°F，為人類利用清潔的綠色聚變核能打開了新大門。

　　現在，除美國外，我國和俄羅斯也在大力開發核聚變反應堆。建造聚變用的材料除要求感應放射能小外，在120℃時還應有相當高的強度；由于磁場大，會產生渦流，鋁合金的電阻應大；還應有良好的成形加工性能、真空性能與導熱性。

　　殘余感應放射能低的材料是C、Sic、純鋁，但C、Sic的成形性能低，加工大的結構困難，所以現在日本的R計劃、國際原子能機構的INTOR和美國的STARFIRE核聚變反應堆都把鋁合金作為開發的首選材料。

　　在元素周期表中，對14.1MeV中子引起的感應放射能低的元素只有Li、Be、C、Mg、AI、Si、V、Pb、Bi等。因此，熱核聚變反應堆鋁合金的研發對象無疑是以高純鋁為基的Al-Mg-Si系、Al-Mg系、Al-Si系、Al-V系、Al-V-Si系、Al-Mg-V系、Al-Mg-Li系及燒結鋁合金（SAP）。對這類材料應嚴格控制鋁合金的常用合金化元素Fe、Cu、Cr等的含量。

　　和水電一樣，核電建設成本很高，建設周期也很長，但是運營成本甚低，綠色、環保、高效、低運營成本的核電定是我國能源重點發展方向之一。不過，現在核電在我國建設占的比例還很低，僅有2%多一點，即使到2030年可能也不會超過4%，比風電和光伏的還少，還沒有發揮出太大的作用，但前景十分廣闊。

（重慶西鋁信達鋁產業股份有限公司宣傳部整理供稿）

來源：網絡

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