鋁合金型材在核發(fā)電工業(yè)的利用前景闡發(fā)

中國核工業(yè)已近60年，已 設(shè)計(jì)與建造了臨盆 堆、研究堆和核潛艇動力堆等。各工業(yè)發(fā)財(cái)國度 為解決人類將來 能源正在對核聚變回響反映 堆的開辟 進(jìn)行年夜 量的研究工作。

　　在核工業(yè)中鋁及鋁合金首要 用作低、中溫水堆（石墨水臨盆 堆、嘗試研究水堆及某些重水嘗試堆）燃料元件的包殼、工藝管、輔助管道及其他構(gòu)造 材料等。工業(yè)純鋁在溫度為100℃~130℃的水冷回響反映 堆中獲得 普遍 的利用。

　　回響反映 堆鋁材應(yīng)具有 的特征

　　鋁材之所以在回響反映 堆中獲得 普遍 利用，除 它具有盡人皆知 的良好機(jī)能 外，在核工程機(jī)能 方面還有一些特異的機(jī)能 ：對熱衷 子的接收 截面小，為0.22×10-24cm2，僅比鈹、鎂、鋯的年夜 一些，而比其他金屬的小很多 ，是以 ，鋁是性價(jià)比優(yōu)異 的上等材料；輻照感應(yīng)放射能衰減快，高純鋁在終了輻照后一周內(nèi)，放射能就急劇下降；回響反映 堆壁濺蝕小，在175℃以下耐輻照，輻照損掉 小，空穴率低。

　　在回響反映 堆中，作為熱交流 介質(zhì)的水所引發(fā) 的侵蝕 比常規(guī)熱電站中的嚴(yán)重很多 。一般說來，鋁材在50℃以下的水中發(fā)生點(diǎn)蝕，在50℃~250℃水中以平均 侵蝕 為主，在300℃以上水中則發(fā)生晶間侵蝕 。

　　實(shí)踐證實(shí) ：選用耐點(diǎn)蝕的鋁合金；提高鋁合金純度，以避免 發(fā)生 陽級性的同化 物；提高堆用水純度，嚴(yán)厲 節(jié)制 水中有害離子含量都是提高鋁材耐點(diǎn)蝕的有用 辦法 。另外 ，對鋁材進(jìn)行陽極氧化處置懲罰 也能提高其對點(diǎn)蝕的抵御能力，不外 水的溫度不克不及 高于100℃，不然 結(jié)果 欠安 。

　　作為元件包殼或工藝管的鋁材，在加工、運(yùn)輸與安裝進(jìn)程 中，其輪廓都不成避免地會發(fā)生 各種 避部毀傷 ，如劃痕、碰傷、氧化膜缺點(diǎn) 等，它們加快 陰極去極化回響反映 ，也易使電位比鋁的更正的重金屬在此處沉積，從而加快 鋁陰極的離子消融 感化 ，加快 侵蝕 。但只要?dú)?深度不跨越 必然 值（低溫水堆用的鋁材的允許 平安 值為0.15mm~0.30mm），不會引發(fā) 異常的加快 侵蝕 ，在低溫水堆的特定前提 下，可平安 使用。

　　1965年之前 中國所需的工藝管悉數(shù) 從蘇聯(lián)引進(jìn)，1958年哈爾濱鋁加工場 （目下當(dāng)今的東北輕合金有限責(zé)任公司）起頭二期項(xiàng)目扶植 ，此中有工藝管車間，有成磁療的軋管、精整、陽極氧化裝備 ，原為蘇聯(lián)緩建項(xiàng)目，后由于蘇聯(lián)中斷 支援 ，半途 一度停建，而后 自食其力 扶植 ，1965年才建成投產(chǎn)，設(shè)計(jì)臨盆 能力50t/a。1966年臨盆 工藝管4934根，33t，管的外徑43mm，內(nèi)徑41mm，那時(shí)的合金商標(biāo) 為LT24。后來又在西北鋁加工場 建了一個工藝管車間，所以目下當(dāng)今中國可臨盆 工藝管的企業(yè)有2個。

　　在中溫水中，鋁首要 發(fā)生平均 侵蝕 。是以 ，水中的離子對其侵蝕 的影響不像低溫時(shí)那樣顯著與敏感，而合金成份 、晶粒年夜 小與組織狀況 卻起著較年夜 的感化 。在6xxx系合金中，最好不存在多余 的Si相。向合金中同時(shí)到場 Fe及Ni（0.3%~0.4%），并使其質(zhì)量比為1，以構(gòu)成 氫超電壓較低的Al9FeNi相，可提高合金的抗侵蝕 性。由于 有Al9FeNi相存在時(shí)，氫可以從其質(zhì)點(diǎn)處逸出，鋁基地不會發(fā)生 陰極回響反映 。

　　在高于130℃的動水中，陽極化膜易剝落，不耐侵蝕 ，但預(yù)生氧化膜（材料使用前，將其置于必然 溫度的高純靜水中必然 的時(shí)候 所構(gòu)成 氧化膜）可提高合金的抗中、高溫動水侵蝕 的能力。

　　對堆用鋁材風(fēng)險(xiǎn) 最年夜 的是晶間侵蝕 ，是由晶界區(qū)和晶?；w之間的電位差引發(fā) 的。是以 ，凡能下降 這類 電位差的辦法 都能提高合金抗晶間侵蝕 的能力。

　　避免 鋁材晶間侵蝕 極有用 的辦法 是向鋁中添加必然 量的Fe與Ni，使之構(gòu)成 氫超電壓較低的陰極相Al3Fe、Al3Ni與Al9FeNi等。這就是中、高溫堆用鋁材年夜 都含有必然 量的Ni與Fe的原因 。向Al-Mg-Si合金添加必然 量的Cu也能提高合金抗晶間侵蝕 的能力。

　　合金的晶粒越細(xì)，抗晶間侵蝕 的能力也響應(yīng) 地提高一些，熱處置懲罰 前提 也對合金晶間侵蝕 有顯著 影響。高溫退火常常 使呈陰極的第二沿用晶界沉淀與使晶粒終年 夜 ，增添 合金的晶間侵蝕 敏感性。

　　年夜 家知道，金屬材料的晶粒越細(xì)，組織越平均 ，抗蝕性也越高，所以常常 向鋁合金中添加微量的晶粒細(xì)化元素。可是對回響反映 堆鋁合金來講 ，應(yīng)斟酌 數(shù)目 元素的熱衷 子接收 截面，例如自然 硼的熱衷 子接收 截面為755×10-24cm2，而B10的卻高達(dá)3800×10-24cm2，含硼的合金及純硼是很好的屏障 材料與節(jié)制 材料，但對非屏弊材料來講 ，倒是 一個有害元素，應(yīng)嚴(yán)加節(jié)制 。美國鋁業(yè)協(xié)會及材料實(shí)驗(yàn) 學(xué)會（ASTM）劃定 8001合金的B含量不得年夜 于0.001%。

　　鋯的熱衷 子接收 截面相當(dāng)小，只有0.18×10-24cm2，鈦的為5.6×10-24cm2，鉻的為2.9×10-24cm2，可作為回響反映 堆鋁材的微量添加元素。

　　回響反映 堆鋁材

　　回響反映 堆鋁材可分為兩種：溫度在130℃以下的低溫堆用元件包殼及構(gòu)造 材料，主如果 工業(yè)純鋁1100與6063合金；使用溫度不跨越 400℃的中溫堆用材料，如Al-Ni-Fe系、Al-Si-Ni系合金，此中典型的是美國的8001合金。

　　在美國普遍 采取 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(jì)0.15，99.00Al），蘇聯(lián)及俄羅斯采取 Al-Mg-Si系合金CAB-1（0.45%~0.90%Mg、0.7%~1.2%Si，其余為Al與不成避免雜質(zhì)）作為壓水型回響反映 堆MP、BBP-M等的構(gòu)造 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及不成避免雜質(zhì)），它的熱衷 子接收 截面小，對中、高溫水有高的抗蝕性，有相當(dāng)好的室溫及同溫力學(xué)機(jī)能 ，加工成形性優(yōu)異 ，可作管狀元件及板狀元件的包殼材料。

　　國外采取 鋁－硅－鎳合金作為元件的包殼材料，在高溫水中有杰出的抗蝕性。后一個合金在260℃~300℃水中的抗蝕性比8001合金的高。

　　在某些情形 下，若是作為屏障 材料的混凝土的質(zhì)量與體積不克不及 知足 要求，或未便 使用時(shí)，則除水之外，還可以用一種名為“波拉爾（Boral）”的鋁板作為屏障 ，它是一種含有碳化硼（B4C）的復(fù)合鋁合金，由于 它有杰出的中子接收 機(jī)能 ，在其輪廓包覆一層1100工藝純鋁。

　　核聚變鋁材

　　當(dāng)前，一些國度 為認(rèn)識 決人類將來 能源問題，還在開辟 核聚變回響反映 堆，此中美國的成績最凸起 ，2021年11月20日被譽(yù)為“人造太陽”（核聚變實(shí)驗(yàn) 堆）的美國國度 焚燒 裝配 （NIF）起頭焚燒 運(yùn)轉(zhuǎn)，發(fā)生 6×106 °F的高溫，相當(dāng)于恒星或年夜 行星焦點(diǎn) 溫度，到達(dá) 了核聚變所需的溫度。

　　核聚變回響反映 堆是將氘（D）和氚(T)發(fā)生 的高溫等離子體封鎖起來，進(jìn)行核聚變回響反映 ，回響反映 堆應(yīng)當(dāng) 用放射能衰減快的、停堆后短時(shí)候 人可以接近的、殘存 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，是一種較為幻想 的熱核回響反映 堆材料。

　　熱核回響反映 堆材料除要求感應(yīng)體例能小外，在120℃還應(yīng)有相當(dāng)高的強(qiáng)度。由于磁場感化 會發(fā)生 渦流，鋁合金的電阻應(yīng)年夜 一些，還應(yīng)有杰出的成形機(jī)能 、加工機(jī)能 、真空機(jī)能 與導(dǎo)熱性。

　　研究解釋，殘存 感應(yīng)放射能低的材料是C、SiC與純鋁，但C及SiC的加工成形機(jī)能 差，不容易 加工年夜 的構(gòu)件，目下當(dāng)今日本的R企圖、國際原子能機(jī)構(gòu)的INTOR項(xiàng)目和美國的STARFIRE核聚變回響反映 堆的研究都把鋁合金作為研發(fā)的重要 材料。

　　在元素周期中，對14.1MeV中子引發(fā) 的感應(yīng)放射能低的元素只有Li、Be、C、Mg、Al等。是以 ，核聚變回響反映 堆鋁材的研究開辟 對象無疑當(dāng)是以高純鋁為根蒂根基 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系合金及燒結(jié)鋁合金（SAP）。在這類材猜中，應(yīng)嚴(yán)厲 節(jié)制 鋁合金的經(jīng)常使用 合金元素Fe、Cu、Cr等的含量。

　　據(jù)美國國度 焚燒 裝配 的官員估量 ，使用核聚變回響反映 堆的發(fā)電站將于2021年起頭運(yùn)行，到2050年將有25%的美國平易近 用能源由核聚變供應(yīng) 。海水中有的是氘，1gal海水可供應(yīng) 相當(dāng)于300gal汽油發(fā)生 的能量，50gal海水所發(fā)生 的能量相當(dāng)于2t煤的。核聚變很環(huán)保，年夜 范圍 利用后，可以少使用化石燃料，從而年夜 年夜 下降 溫室氣體排放。一旦我們把握 了核聚變發(fā)電手藝 ，我們的子孫子女 將享遭到 科技成長 帶來的奔騰 ，能源欠缺 的時(shí)期 將一去不復(fù)返，鋁在迎接這個時(shí)期 的到來將闡揚(yáng)重要的感化 。

　　在中國發(fā)電裝機(jī)容量中，核電裝備占的比例甚低，在從此二十年內(nèi)，核電裝備用鋁量的年平均增加率可達(dá)20%或更年夜 一些，成為高精鋁材利用方面的又一新亮點(diǎn)。核電裝備所需的鋁材中都城 能臨盆 ，可是臨盆 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)財(cái)國度 的比擬 還有較年夜 差距，亟待增強(qiáng) 與加年夜 投入。（