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力推核电 高精铝材应用现新亮点

放大字体  缩小字体 发布日期:2015-03-10  来源:中国有色金属报  浏览次数:752   关注:加关注

锆的热中子吸收截面相当小,只有0.18×10-24cm2,钛的为5.6×10-24cm2,铬的为2.9×10-24cm2,可作为反应堆铝材的微量添加元素。

反应堆铝材

反应堆铝材可分为两种:温度在130℃以下的低温堆用元件包壳及结构材料,主要是工业纯铝1100与6063合金;使用温度不超过400℃的中温堆用材料,如Al-Ni-Fe系、Al-Si-Ni系合金,其中典型的是美国的8001合金。

在美国广泛采用工业纯铝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),苏联及俄罗斯采用Al-Mg-Si系合金CAB-1(0.45%~0.90%Mg、0.7%~1.2%Si,其余为Al与不可避免杂质)作为压水型反应堆MP、BBP-M等的结构材料及工艺管材料。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及不可避免杂质),它的热中子吸收截面小,对中、高温水有高的抗蚀性,有相当好的室温及同温力学性能,加工成形性优秀,可作管状元件及板状元件的包壳材料。

国外采用铝-硅-镍合金作为元件的包壳材料,在高温水中有良好的抗蚀性。后一个合金在260℃~300℃水中的抗蚀性比8001合金的高。

在某些情况下,如果作为屏蔽材料的混凝土的质量与体积不能满足要求,或不便使用时,则除水以外,还可以用一种名为“波拉尔(Boral)”的铝板作为屏蔽,它是一种含有碳化硼(B4C)的复合铝合金,因为它有良好的中子吸收性能,在其表面包覆一层1100工艺纯铝。

核聚变铝材

当前,一些国家为了解决人类未来能源问题,还在开发核聚变反应堆,其中美国的成就最突出,2010年11月20日被誉为“人造太阳”(核聚变试验堆)的美国国家点火装置(NIF)开始点火运转,产生6×106 °F的高温,相当于恒星或大行星核心温度,达到了核聚变所需的温度。

核聚变反应堆是将氘(D)和氚(T)产生的高温等离子体封闭起来,进行核聚变反应,反应堆应该用放射能衰减快的、停堆后短时间人可以接近的、残余放射能小的材料的制成。铝合金是一种低感应放射能材料,是一种较为理想的热核反应堆材料。

热核反应堆材料除要求感应方式能小外,在120℃还应有相当高的强度。由于磁场作用会产生涡流,铝合金的电阻应大一些,还应有良好的成形性能、加工性能、真空性能与导热性。

研究表明,残余感应放射能低的材料是C、SiC与纯铝,但C及SiC的加工成形性能差,不易加工大的构件,现在日本的R计划、国际原子能机构的INTOR项目和美国的STARFIRE核聚变反应堆的研究都把铝合金作为研发的首要材料。

在元素周期中,对14.1MeV中子引起的感应放射能低的元素只有Li、Be、C、Mg、Al等。因此,核聚变反应堆铝材的研究开发对象无疑当是以高纯铝为基础的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)。在这类材料中,应严格控制铝合金的常用合金元素Fe、Cu、Cr等的含量。

据美国国家点火装置的官员估计,使用核聚变反应堆的发电站将于2020年开始运行,到2050年将有25%的美国民用能源由核聚变提供。海水中有的是氘,1gal海水可提供相当于300gal汽油产生的能量,50gal海水所产生的能量相当于2t煤的。核聚变很环保,大规模应用后,可以少使用化石燃料,从而大大降低温室气体排放。一旦我们掌握了核聚变发电技术,我们的子孙后代将享受到科技发展带来的飞跃,能源短缺的时代将一去不复返,铝在迎接这个时代的到来将发挥重要的作用。

在中国发电装机容量中,核电装备占的比例甚低,在今后二十年内,核电装备用铝量的年平均增长率可达20%或更大一些,成为高精铝材应用方面的又一新亮点。核电装备所需的铝材中国都能生产,但是生产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达国家的相比还有较大差距,亟待加强与加大投入。

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关键词: 金属 铝合金
 
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