不銹鋼作為SCWR燃料包殼材料國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

 國(guó)際上開(kāi)展SCWR材料研究的國(guó)家或組織包括美國(guó)、歐盟、日本、韓國(guó)、加拿大和俄羅斯，它們研究技術(shù)狀態(tài)概況如下：

一、日本

 日本從2000年起開(kāi)始系統(tǒng)的SCWR材料研究計(jì)劃，在材料改性研究方面，主要針對(duì)奧氏體不銹鋼在超臨界溫度下輻照腫脹率較大這一試驗(yàn)結(jié)果，在常用的300系列不銹鋼（如316L、310S）的基礎(chǔ)上，試圖通過(guò)添加微量Zr、Ti或細(xì)化晶粒來(lái)減輕輻照腫脹，對(duì)改性后的材料進(jìn)行了相關(guān)研究，例如蠕變性能、應(yīng)力腐蝕性能和輻照性能的試驗(yàn)研究。此外，日本還針對(duì)氧化物彌散強(qiáng)化（ODS）鐵素體鋼的SCWR環(huán)境相容性進(jìn)行了研究，主要內(nèi)容包括腐蝕、應(yīng)力腐蝕、熱脆化等；與美國(guó)合作開(kāi)展了中子輻照樣品的SCC評(píng)價(jià)。最后針對(duì)各種材料進(jìn)行了定性分析評(píng)價(jià)，主要結(jié)果如下：

 a．600合金、690合金等鎳基合金：高溫強(qiáng)度高，抗腐蝕性能、輻照腫脹性能好，SCC敏感性低，是SCWR適用性最高的材料，但625合金由于700℃高溫強(qiáng)度及SCC敏感性的問(wèn)題，應(yīng)用的可能性不大；此外，需考慮鎳基合金在超臨界區(qū)域的氦脆問(wèn)題。

 b．奧氏體不銹鋼如304、316L、310S：高溫強(qiáng)度、抗腐蝕性能較好，SCC敏感性較低（未經(jīng)過(guò)400℃以下敏化處理），僅次于鎳基合金，但其耐輻照腫脹特性需要改進(jìn)（通過(guò)添加微量元素或細(xì)晶化），也可以適用于SCWR。

 c．HCM12等鐵素體不銹鋼：，輻照腫脹性能好，SCC敏感性低，但腐蝕嚴(yán)重，應(yīng)用的可能性不大。

 d．鈦合金：強(qiáng)度良好，抗輻照腫脹性能好，SCC敏感性低，但在超臨界高溫條件下的抗腐蝕性能差。

 e．ODS鐵素體鋼：腐蝕性能與基體鋼相同，且與基體鋼一樣，也存在輻照脆化的問(wèn)題，提高Cr含量，雖然改善了抗腐蝕性能，但同時(shí)也降低了熱穩(wěn)定性，增大了使用過(guò)程中的脆化可能性。

二、美國(guó)

 美國(guó)早在2003年就制定了10年的發(fā)展計(jì)劃。SCWR材料研究涵蓋的范圍比較全面，燃料組件、堆內(nèi)構(gòu)件以及壓力容器等主體結(jié)構(gòu)，還包括了泵、閥門、管道、汽輪機(jī)等設(shè)備材料都在其中。針對(duì)堆內(nèi)構(gòu)件、燃料組件等堆內(nèi)設(shè)備的材料研究，已經(jīng)完成的工作主要如下。首先，完成了相關(guān)試驗(yàn)?zāi)芰ㄔO(shè)，目前已具備對(duì)中子輻照樣品的進(jìn)行應(yīng)力腐蝕（SCC）試驗(yàn)的能力。

 其次，確定了鈦合金、鐵素體/馬氏體（F/M）鋼、鋯合金、奧氏體不銹鋼、氧化物彌散強(qiáng)化（ODS）合金、鎳基合金為候選材料，其中4類材料為主要候選材料；完成了材料在SCWR工作溫度范圍內(nèi)不同水化學(xué)條件下的腐蝕、應(yīng)力腐蝕（SCC）試驗(yàn)及評(píng)價(jià)，并進(jìn)行了腐蝕和SCC機(jī)理方面的深入研究。在材料改性研究方面，針對(duì)F/M鋼的腐蝕性能差，試圖通過(guò)ODS化和表面離子注入來(lái)減輕腐蝕，針對(duì)奧氏體合金表面氧化膜在高溫水中易溶解或剝落的現(xiàn)象，試圖通過(guò)晶界工程來(lái)減輕表面保護(hù)性鈍化氧化物膜層的剝落現(xiàn)象。最后，進(jìn)行了主要候選材料的輻照試驗(yàn)研究，主要采用質(zhì)子輻照研究了輻照樣品的微結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度和硬度、SCC敏感性等；與日本合作開(kāi)展了中子輻照樣品的SCC評(píng)價(jià)。針對(duì)各種材料進(jìn)行了定性評(píng)價(jià)，主要的結(jié)果見(jiàn)下面幾點(diǎn)：

 a．F/M鋼如T91、T92、HCM12A等IGSCC敏感性小，其最大的挑戰(zhàn)在于抗腐蝕性能差，另外，存在輻照脆化問(wèn)題；通過(guò)表面離子注入和ODS化可在一定程度改善F/M鋼的抗腐蝕性能，但輻照脆化問(wèn)題依然存在，且ODS化加劇了輻照脆化。

 b．奧氏體不銹鋼如304、316L、D9等和鐵鎳基合金800H以及鎳基合金625、690等抗腐蝕性能較好，尤其是800H；但晶間應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂（IGSCC）敏感性高于F/M鋼，IGSCC敏感性隨溫度升高而增大（根據(jù)側(cè)面裂紋來(lái)判斷，但斷面IGSCC分?jǐn)?shù)隨溫度升高而減少），且存在輻照增強(qiáng)應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂（IASCC）敏感性。

 c．成分優(yōu)化的鈦合金和鋯合金，它們的腐蝕性能較好，可以與奧氏體不銹鋼媲美，高于F/M鋼。

三、歐盟

 歐盟的SCWR材料研究正按照其第六次框架計(jì)劃中超臨界水冷堆的研發(fā)規(guī)劃進(jìn)行。在前期（第五次框架計(jì)劃）已經(jīng)完成了試驗(yàn)?zāi)芰ㄔO(shè)和候選材料（F/M鋼、奧氏體不銹鋼、鎳基合金、ODS鋼）的力學(xué)、均勻腐蝕、應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)及初步評(píng)價(jià)，主要結(jié)果如下。

 a．高Cr含量的ODS F/M鋼如PM2000、MA956等，具有較好的抗腐蝕性能和高溫強(qiáng)度，但脆性高，且難于制造和焊接。

 b．普通奧氏體不銹鋼如316、347、1.4970等，具有較高的蠕變強(qiáng)度，但抗腐蝕性能不可接受（由短期腐蝕試驗(yàn)獲得的結(jié)果），但通過(guò)表面冷加工，抗腐蝕性能可能會(huì)改善。

 c．310S、NF709等奧氏體不銹鋼，含有較高水平的Cr元素，蠕變強(qiáng)度高，抗腐蝕性能好，但Ni含量稍高于傳統(tǒng)的18Cr-8Ni奧氏體不銹鋼。

 在第六次框架計(jì)劃中，SCWR在材料方面的研究工作分為兩步：2010年-2012年，對(duì)燃料包殼候選材料（1.4970，347H和316L）進(jìn)行全面的性能評(píng)價(jià)，主要包括力學(xué)性能、均勻腐蝕性能和SCC敏感性等，從中確定出最有希望的候選材料，并準(zhǔn)備入堆輻照考驗(yàn)；2013年-2017年，完成2×2燃料組件在捷克LVR-15反應(yīng)堆超臨界水回路中的考驗(yàn)及評(píng)價(jià)。

四、其它國(guó)家

 韓國(guó)進(jìn)行了一些候選材料在超臨界水中的均勻腐蝕和SCC試驗(yàn)研究，這些材料包括F/M鋼、鎳基合金、ODS奧氏體不銹鋼和鋯合金，并研究了ODS鐵素體鋼在超臨界溫度的熱老化現(xiàn)象。

 俄羅斯和加拿大的SCWR概念設(shè)計(jì)與其它國(guó)家不同，均是基于壓力管式（其它國(guó)家則是基于壓力容器式）。俄羅斯正在其石墨水冷堆內(nèi)的超臨界回路中進(jìn)行燃料考驗(yàn)，其中，低溫（530℃）的包殼材料采用的是EI847（16Cr-15Ni-3Mo），高溫（630℃）的包殼材料采用的是ED753，成分與Incoloy825相近，目前的燃耗較低（3.4GWd/tU）。加拿大目前也在開(kāi)展一些候選材料如奧氏體不銹鋼、鎳基合金、氧化鋁涂層F/M鋼等的腐蝕試驗(yàn)研究，其篩選出的堆芯結(jié)構(gòu)主材料和燃料包殼主材為310S、6XN和800H合金。

五、國(guó)外研究小結(jié)

 從研究方法上看，一些先進(jìn)材料改性技術(shù)被引入。如美國(guó)采用等離子體對(duì)鐵素體-馬氏體（F-M）鋼進(jìn)行預(yù)氧化，這種材料改性方法極大的改進(jìn)了氧化物與基體的附著性，從而改進(jìn)了抗腐蝕性，增加了與超臨界水的相容性；對(duì)ODS不銹鋼采用納米化氧化物晶粒的方法，很大程度的改進(jìn)了材料的高溫強(qiáng)度、抗中子輻照性能以及抗腐蝕性能；另外，還有不同熱處理方法以及濺射等改性技術(shù)均試圖用作包殼材料性能提高的一種手段。這些新方法的引入為SCWR包殼材料的研究提出了不同的思路。

 從試驗(yàn)手段上看，國(guó)際上正在建設(shè)能對(duì)候選材料進(jìn)行靜態(tài)、動(dòng)態(tài)和應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂(SCC)試驗(yàn)的超臨界水試驗(yàn)回路，有的已經(jīng)建成并開(kāi)始腐蝕試驗(yàn)。密歇根(Michigan)大學(xué)建成了在超臨界水溫度條件下同時(shí)開(kāi)展多試樣的應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂(SCW-SCC)試驗(yàn)設(shè)施，該系統(tǒng)在高達(dá)600℃和25MPa的超臨界水中進(jìn)行靜態(tài)試驗(yàn)和SCC試驗(yàn)，KAERI已完成進(jìn)行超臨界水中靜態(tài)腐蝕試驗(yàn)的兩個(gè)高壓釜建造并投入使用。

 從材料篩選結(jié)果上看，F(xiàn)e-Cr-Ni合金，具有較大的可能性應(yīng)用于SCWR的堆內(nèi)構(gòu)件材料（包括燃料包殼材料），例如，鎳基合金、鐵鎳基合金和奧氏體不銹鋼。優(yōu)勢(shì)是后兩者，當(dāng)Ni含量適中時(shí)，具有較好的綜合性能。

六、國(guó)內(nèi)研究情況

 我國(guó)對(duì)SCWR技術(shù)的研究/開(kāi)發(fā)目前尚屬于初始階段。基于我國(guó)核電技術(shù)基礎(chǔ)，中國(guó)在2003年即開(kāi)展了基金項(xiàng)目的研究，開(kāi)展了技術(shù)領(lǐng)域的跟蹤，調(diào)研國(guó)外的技術(shù)方案，掌握了發(fā)展趨勢(shì)，完成了概念設(shè)計(jì)，提出了應(yīng)用目標(biāo)。隨后，核動(dòng)力院在該領(lǐng)域作為研發(fā)―舉旗‖單位，開(kāi)展了大量工作，從設(shè)計(jì)開(kāi)始，逐步過(guò)渡到材料研究，熱工水力研究，設(shè)計(jì)的項(xiàng)目主要包括國(guó)家973項(xiàng)目、科研基金項(xiàng)目（包括前瞻性等），部級(jí)和省級(jí)國(guó)際合作項(xiàng)目、核能開(kāi)發(fā)項(xiàng)目等。提出了SCWR的發(fā)展思路。

 在堆芯概念設(shè)計(jì)階段，CSR1000——中國(guó)超臨界水冷堆，具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，選用了Φ9.5mm燃料棒，它廣泛應(yīng)用于壓水堆中。環(huán)狀芯塊的技術(shù)已經(jīng)比較成熟，包殼的厚度，在目前的設(shè)計(jì)中，暫定為0.57mm（如圖1-10），在SCWR服役運(yùn)行時(shí)，包殼的服役溫度，一般在600℃-650℃范圍，最高也可能到700℃。

 SCWR材料研究工作開(kāi)始于2006年，開(kāi)展了包殼材料的初步篩選工作，以及部分力學(xué)、輻照以及腐蝕試驗(yàn)研究。主要是針對(duì)F/M鋼、鎳基合金、ODS鋼、不銹鋼奧氏體不銹鋼這些候選材料，從中篩選出代表性的牌號(hào)，開(kāi)展超臨界水腐蝕與應(yīng)力腐蝕行為、力學(xué)與模擬輻照行為研究以及新材料試制，探究超臨界水腐蝕機(jī)理、輻照損傷機(jī)理和材料制備科學(xué)等基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題。

 由均勻腐蝕研究結(jié)果表明：在所有候選材料中，F(xiàn)/M鋼的抗腐蝕性能差，雖經(jīng)ODS，仍然不能滿足設(shè)計(jì)要求，應(yīng)用于SCWR的可能性不大；普通奧氏體不銹鋼如304NG抗腐蝕性能可滿足500℃～550℃使用，而310S、6XN等奧氏體不銹鋼，鈍化元素含量高，腐蝕性能可滿足600℃使用；鎳基合金的抗腐蝕最好，即使在650℃也保持較小的腐蝕速率，在幾類合金中具有最好的抗腐蝕性能，但沉淀硬化的鎳基合金存在點(diǎn)蝕現(xiàn)象。上述三種類型材料的氧化膜都具有雙層結(jié)構(gòu)，但鐵素體/馬氏體鋼的氧化膜疏松易脆，奧氏體不銹鋼304NG的氧化膜主要表現(xiàn)為斑痕狀，鎳基合金氧化膜有脫落現(xiàn)象及點(diǎn)蝕坑。

 根據(jù)上述結(jié)果以及完成的其它性能研究，完成了對(duì)SCWR燃料包殼候選材料的適用性的初步評(píng)價(jià)和篩選，基本排除了F/M鋼及其ODS鋼，主要原因在于上述材料耐蝕性較差且輻照脆化嚴(yán)重，提高Cr含量雖然可改善耐蝕性，但又導(dǎo)致在超臨界溫度范圍內(nèi)熱脆化嚴(yán)重；F/M鋼及其ODS鋼的焊接性能較差，ODS鋼焊接性能最差；ODS鋼的制備相當(dāng)困難等。因此，SCWR的燃料包殼主材集中于奧氏體合金類。就奧氏體合金中Ni含量的高低，基本分為高級(jí)奧氏體不銹鋼（如310、6XN等）、普通奧氏體不銹鋼（如347、321、316等）、鐵鎳基合金（如800、825等）和鎳基合金（如718、690、625、C276等）。

 在普通奧氏體不銹鋼中，前期針對(duì)304NG的研究表明，無(wú)論是用作SCWR燃料包殼或堆內(nèi)構(gòu)件主材，高溫強(qiáng)度不夠，均勻腐蝕性能較差（根據(jù)短期均勻腐蝕試驗(yàn)結(jié)果，需長(zhǎng)期均勻腐蝕試驗(yàn)驗(yàn)證），超臨界溫度的SCC、輻照腫脹和IASCC均存在問(wèn)題。316Ti不銹鋼有應(yīng)用于快堆包殼部件的經(jīng)驗(yàn)，也可考慮作為SCWR的候選材料（包殼和堆內(nèi)主材）。600℃蒸汽超臨界火電站過(guò)熱器/再熱器用材料（金屬壁溫約680℃）347不銹鋼也可考慮作為包殼和堆內(nèi)構(gòu)件主材的候選材料。上述兩種材料存在的問(wèn)題是，在超臨界溫度條件下的均勻腐蝕可能較嚴(yán)重，需要開(kāi)展長(zhǎng)周期試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證。

 高級(jí)奧氏體不銹鋼中，以310S為代表，其含有20~25％Ni和20~25％Cr。310S經(jīng)加入穩(wěn)定化元素后，可被選擇作為包殼候選材料，例如HR3C（Nb穩(wěn)定化），預(yù)期該材料在SCWR環(huán)境條件下的輻照腫脹、輻照促進(jìn)應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂（IASCC）等問(wèn)題可能不大。HR3C既可作為包殼候選材料，也可考慮作為堆內(nèi)結(jié)構(gòu)候選材料。

 對(duì)于含有約20~25％Ni和20~25％Cr之外且含有2~6％Mo的高級(jí)奧氏體不銹鋼也被稱為超級(jí)不銹鋼，以6XN為代表。前期研究結(jié)果表明，6XN不銹鋼在超臨界溫度條件下具有較好的強(qiáng)度和耐蝕性，后續(xù)研究中需考慮輻照腫脹、IASCC等問(wèn)題?？紤]到部件在服役期間高溫高壓環(huán)境條件下的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，該材料限制在600℃以下服役。用作SCWR燃料包殼的候選材料不太適合，可考慮作為堆內(nèi)構(gòu)件主材的候選材料。

 鐵鎳基合金的高溫強(qiáng)度較好，Ni含量一般在30%~50％，作為SCWR燃料包殼候選材料時(shí)，與鎳基合金相比，可體現(xiàn)出中子經(jīng)濟(jì)性的優(yōu)勢(shì)，且氦脆的影響可明顯減小。有兩種鐵鎳合金可考慮作為包殼候選材料，一種是825合金，成分接近俄羅斯壓力管式SCWR（冷卻劑575℃/28.9MPa，包殼溫度630℃/787℃，目前正在運(yùn)行考驗(yàn)，已運(yùn)行燃耗3.4GW.d/tU）包殼管材料ED753；另一種是800H合金，Ni含量比825合金更低。根據(jù)目前的研究結(jié)果，800H存在的問(wèn)題是在超臨界溫度范圍內(nèi)的輻照腫、IASCC可能較大，需要進(jìn)一步研究。800H和825合金在超臨界溫度范圍內(nèi)長(zhǎng)期工作時(shí)，σ相等脆性相的析出量預(yù)期較少，應(yīng)該不會(huì)明顯降低合金的韌性。

 最后是鎳基合金，根據(jù)核電常用鎳基合金的Ni含量，可計(jì)算燃料富集度，如采用718合金，其含有約60％Ni，所需燃料富集度可高達(dá)7~8％，設(shè)計(jì)燃耗并不比PWR高，會(huì)導(dǎo)致SCWR中子經(jīng)濟(jì)性較差。因此，718合金不適合作為包殼候選材料，此外，625和X-750合金也具有在LWR中作為堆芯結(jié)構(gòu)材料的使用經(jīng)歷，但625合金具有高溫長(zhǎng)期服役結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較差、在超臨界溫度范圍SCC敏感性較大（相對(duì)于其它鎳基合金）等缺點(diǎn)；X-750合金中的Ni含量太高（約73％），不應(yīng)作為候選材料。而在PWR中用作蒸發(fā)器傳熱管材料的690合金，在超臨界溫度范圍內(nèi)的IASCC性能較差，且其高溫長(zhǎng)期服役行為還須驗(yàn)證，因此也不宜作為SCWR包殼候選材料。在超臨界火電領(lǐng)域應(yīng)用的617、740等鎳基合金，高溫強(qiáng)度和耐蝕性均很好，但成分中含有較多的Co（13~20％），Co元素的熱中子吸收截面約為Ni元素的8倍，且對(duì)電站放射性劑量產(chǎn)生很重要的影響，因此，這些鎳基合金不考慮用于SCWR。至于普遍應(yīng)用于化工領(lǐng)域的Hasterlloy系列合金，其成分設(shè)計(jì)主要是針對(duì)500℃以下各種腐蝕性介質(zhì)中的耐蝕性，若用于SCWR，則材料的高溫力學(xué)性能需要改進(jìn)，且輻照性能等也需要驗(yàn)證，因此也不考慮作為SCWR候選材料。

 綜上所述，根據(jù)中子經(jīng)濟(jì)性、高溫強(qiáng)度、均勻腐蝕性能、應(yīng)力腐蝕性能、輻照性能、組織穩(wěn)定性等方面的考慮，在SCWR燃料包殼材料研發(fā)中，經(jīng)過(guò)前期的分析論證和篩選研究，根據(jù)材料發(fā)展趨勢(shì)，確定了將綜合性能較好的高級(jí)奧氏體不銹鋼作為燃料包殼主要候選材料之一，并與國(guó)外的選擇情況進(jìn)行了對(duì)比（如表1-2），都是Fe-Cr-Ni合金類型，屬于同一大方向，但具體牌號(hào)有差異。

 此前，對(duì)SCWR候選包殼材料的研究主要集中在單項(xiàng)性能，例如，蠕變性能，或均勻腐蝕性能，或其他某項(xiàng)性能，系統(tǒng)性研究不夠充分，對(duì)310S不銹鋼用作SCWR包殼材料的研究亦如此，因此，系統(tǒng)研究310S奧氏體不銹鋼在SCWR工況或溫度區(qū)間的主要性能十分必要，可為SCWR的設(shè)計(jì)、材料研發(fā)、后續(xù)研究工作奠定技術(shù)基礎(chǔ)。