铝合金型材在核发电工业的利用前景阐发

中国核工业已近60年，已 设计与建造了临盆 堆、研究堆和核潜艇动力堆等。各工业发财国度 为解决人类将来 能源正在对核聚变回响反映 堆的开辟 进行年夜 量的研究工作。

　　在核工业中铝及铝合金首要 用作低、中温水堆（石墨水临盆 堆、尝试研究水堆及某些重水尝试堆）燃料元件的包壳、工艺管、辅助管道及其他构造 材料等。工业纯铝在温度为100℃~130℃的水冷回响反映 堆中获得 普遍 的利用。

　　回响反映 堆铝材应具有 的特征

　　铝材之所以在回响反映 堆中获得 普遍 利用，除 它具有尽人皆知 的良好机能 外，在核工程机能 方面还有一些特异的机能 ：对热衷 子的接收 截面小，为0.22×10-24cm2，仅比铍、镁、锆的年夜 一些，而比其他金属的小很多 ，是以 ，铝是性价比优异 的上等材料；辐照感应放射能衰减快，高纯铝在终了辐照后一周内，放射能就急剧下降；回响反映 堆壁溅蚀小，在175℃以下耐辐照，辐照损掉 小，空穴率低。

　　在回响反映 堆中，作为热交流 介质的水所引发 的侵蚀 比常规热电站中的严重很多 。一般说来，铝材在50℃以下的水中发生点蚀，在50℃~250℃水中以平均 侵蚀 为主，在300℃以上水中则发生晶间侵蚀 。

　　实践证实 ：选用耐点蚀的铝合金；提高铝合金纯度，以避免 发生 阳级性的同化 物；提高堆用水纯度，严厉 节制 水中有害离子含量都是提高铝材耐点蚀的有用 办法 。另外 ，对铝材进行阳极氧化处置惩罚 也能提高其对点蚀的抵御能力，不外 水的温度不克不及 高于100℃，不然 结果 欠安 。

　　作为元件包壳或工艺管的铝材，在加工、运输与安装进程 中，其轮廓都不成避免地会发生 各种 避部毁伤 ，如划痕、碰伤、氧化膜缺点 等，它们加快 阴极去极化回响反映 ，也易使电位比铝的更正的重金属在此处沉积，从而加快 铝阴极的离子消融 感化 ，加快 侵蚀 。但只要毁伤 深度不跨越 必然 值（低温水堆用的铝材的允许 平安 值为0.15mm~0.30mm），不会引发 异常的加快 侵蚀 ，在低温水堆的特定前提 下，可平安 使用。

　　1965年之前 中国所需的工艺管悉数 从苏联引进，1958年哈尔滨铝加工场 （目下当今的东北轻合金有限责任公司）起头二期项目扶植 ，此中有工艺管车间，有成磁疗的轧管、精整、阳极氧化装备 ，原为苏联缓建项目，后由于苏联中断 支援 ，半途 一度停建，而后 自食其力 扶植 ，1965年才建成投产，设计临盆 能力50t/a。1966年临盆 工艺管4934根，33t，管的外径43mm，内径41mm，那时的合金商标 为LT24。后来又在西北铝加工场 建了一个工艺管车间，所以目下当今中国可临盆 工艺管的企业有2个。

　　在中温水中，铝首要 发生平均 侵蚀 。是以 ，水中的离子对其侵蚀 的影响不像低温时那样显着与敏感，而合金成份 、晶粒年夜 小与组织状况 却起着较年夜 的感化 。在6xxx系合金中，最好不存在多余 的Si相。向合金中同时到场 Fe及Ni（0.3%~0.4%），并使其质量比为1，以构成 氢超电压较低的Al9FeNi相，可提高合金的抗侵蚀 性。由于 有Al9FeNi相存在时，氢可以从其质点处逸出，铝基地不会发生 阴极回响反映 。

　　在高于130℃的动水中，阳极化膜易剥落，不耐侵蚀 ，但预生氧化膜（材料使用前，将其置于必然 温度的高纯静水中必然 的时候 所构成 氧化膜）可提高合金的抗中、高温动水侵蚀 的能力。

　　对堆用铝材风险 最年夜 的是晶间侵蚀 ，是由晶界区和晶粒基体之间的电位差引发 的。是以 ，凡能下降 这类 电位差的办法 都能提高合金抗晶间侵蚀 的能力。

　　避免 铝材晶间侵蚀 极有用 的办法 是向铝中添加必然 量的Fe与Ni，使之构成 氢超电压较低的阴极相Al3Fe、Al3Ni与Al9FeNi等。这就是中、高温堆用铝材年夜 都含有必然 量的Ni与Fe的原因 。向Al-Mg-Si合金添加必然 量的Cu也能提高合金抗晶间侵蚀 的能力。

　　合金的晶粒越细，抗晶间侵蚀 的能力也响应 地提高一些，热处置惩罚 前提 也对合金晶间侵蚀 有显着 影响。高温退火常常 使呈阴极的第二沿用晶界沉淀与使晶粒终年 夜 ，增添 合金的晶间侵蚀 敏感性。

　　年夜 家知道，金属材料的晶粒越细，组织越平均 ，抗蚀性也越高，所以常常 向铝合金中添加微量的晶粒细化元素。可是对回响反映 堆铝合金来讲 ，应斟酌 数目 元素的热衷 子接收 截面，例如自然 硼的热衷 子接收 截面为755×10-24cm2，而B10的却高达3800×10-24cm2，含硼的合金及纯硼是很好的屏障 材料与节制 材料，但对非屏弊材料来讲 ，倒是 一个有害元素，应严加节制 。美国铝业协会及材料实验 学会（ASTM）划定 8001合金的B含量不得年夜 于0.001%。

　　锆的热衷 子接收 截面相当小，只有0.18×10-24cm2，钛的为5.6×10-24cm2，铬的为2.9×10-24cm2，可作为回响反映 堆铝材的微量添加元素。

　　回响反映 堆铝材

　　回响反映 堆铝材可分为两种：温度在130℃以下的低温堆用元件包壳及构造 材料，主如果 工业纯铝1100与6063合金；使用温度不跨越 400℃的中温堆用材料，如Al-Ni-Fe系、Al-Si-Ni系合金，此中典型的是美国的8001合金。

　　在美国普遍 采取 工业纯铝1100（质量%：0.05~0.20Cu、0.05Mn、0.10Zn、0.95Si+Fe，其他杂质单个0.05、总计0.15，99.00Al），苏联及俄罗斯采取 Al-Mg-Si系合金CAB-1（0.45%~0.90%Mg、0.7%~1.2%Si，其余为Al与不成避免杂质）作为压水型回响反映 堆MP、BBP-M等的构造 材料及工艺管材料。但这些材料的最高工作温度为130℃，如温度更高，则需用其他铝材。

　　工作温度为130℃~400℃的铝合金有：中国的306合金（约含7%Si与0.65%Ni，其余为Al及不成避免杂质），它的热衷 子接收 截面小，对中、高温水有高的抗蚀性，有相当好的室温及同温力学机能 ，加工成形性优异 ，可作管状元件及板状元件的包壳材料。

　　国外采取 铝－硅－镍合金作为元件的包壳材料，在高温水中有杰出的抗蚀性。后一个合金在260℃~300℃水中的抗蚀性比8001合金的高。

　　在某些情形 下，若是作为屏障 材料的混凝土的质量与体积不克不及 知足 要求，或未便 使用时，则除水之外，还可以用一种名为“波拉尔（Boral）”的铝板作为屏障 ，它是一种含有碳化硼（B4C）的复合铝合金，由于 它有杰出的中子接收 机能 ，在其轮廓包覆一层1100工艺纯铝。

　　核聚变铝材

　　当前，一些国度 为认识 决人类将来 能源问题，还在开辟 核聚变回响反映 堆，此中美国的成绩最凸起 ，2021年11月20日被誉为“人造太阳”（核聚变实验 堆）的美国国度 焚烧 装配 （NIF）起头焚烧 运转，发生 6×106 °F的高温，相当于恒星或年夜 行星焦点 温度，到达 了核聚变所需的温度。

　　核聚变回响反映 堆是将氘（D）和氚(T)发生 的高温等离子体封锁起来，进行核聚变回响反映 ，回响反映 堆应当 用放射能衰减快的、停堆后短时候 人可以接近的、残存 放射能小的材料的制成。铝合金是一种低感应放射能材料，是一种较为幻想 的热核回响反映 堆材料。

　　热核回响反映 堆材料除要求感应体例能小外，在120℃还应有相当高的强度。由于磁场感化 会发生 涡流，铝合金的电阻应年夜 一些，还应有杰出的成形机能 、加工机能 、真空机能 与导热性。

　　研究解释，残存 感应放射能低的材料是C、SiC与纯铝，但C及SiC的加工成形机能 差，不容易 加工年夜 的构件，目下当今日本的R企图、国际原子能机构的INTOR项目和美国的STARFIRE核聚变回响反映 堆的研究都把铝合金作为研发的重要 材料。

　　在元素周期中，对14.1MeV中子引发 的感应放射能低的元素只有Li、Be、C、Mg、Al等。是以 ，核聚变回响反映 堆铝材的研究开辟 对象无疑当是以高纯铝为根蒂根基 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系合金及烧结铝合金（SAP）。在这类材猜中，应严厉 节制 铝合金的经常使用 合金元素Fe、Cu、Cr等的含量。

　　据美国国度 焚烧 装配 的官员估量 ，使用核聚变回响反映 堆的发电站将于2021年起头运行，到2050年将有25%的美国平易近 用能源由核聚变供应 。海水中有的是氘，1gal海水可供应 相当于300gal汽油发生 的能量，50gal海水所发生 的能量相当于2t煤的。核聚变很环保，年夜 范围 利用后，可以少使用化石燃料，从而年夜 年夜 下降 温室气体排放。一旦我们把握 了核聚变发电手艺 ，我们的子孙子女 将享遭到 科技成长 带来的奔腾 ，能源欠缺 的时期 将一去不复返，铝在迎接这个时期 的到来将阐扬重要的感化 。

　　在中国发电装机容量中，核电装备占的比例甚低，在从此二十年内，核电装备用铝量的年平均增加率可达20%或更年夜 一些，成为高精铝材利用方面的又一新亮点。核电装备所需的铝材中都城 能临盆 ，可是临盆 工艺管的企业只有东北轻合金有限公司和中铝西北铝，在研发核电站用铝材方面与工业发财国度 的比拟 还有较年夜 差距，亟待增强 与加年夜 投入。（