低碳经济带动核电材料发展

40中国有色金属2010年第8期热点Focus文张江峰张宪铭低碳经济带动核电材料发展我国核电工业的迅速发展，为核电材料带来了广阔的发展空间和机遇。再加上国家要求逐步提高核电设备国产化的比例，从国家核电技术公司成立以来，也一直围绕我国第三代核电自主化发展的目标，坚持推进核电关键设备和重要材料的国产化和自主化。因此，我国核电材料正迎来一个新的发展机遇和空间。当前在全球倡导低碳经济和清洁能源的大背景下，要兑现我国政府节能减排的国际承诺，大力发展高效节能、环保清洁的核电是我国能源结构战略调整的必然选择。核电具备良好的成本优势，核电燃料成本不及煤电的1/3，而且是新型能源中到目前为止可以大规模、低成本、可靠开发的能源。在我国，核能建设有利于调整能源结构，保障能源供应与安全，保护环境，实现电力工业结构优化和可持续发展，提升我国综合经济实力和技术水平。当前中国在建的核电反应堆占世界在建总量的三分之一，中国的核电建设前景广阔，方兴未艾。核能将迎来新一轮的发展机遇。核电技术第一代核电技术。核电站的开发与建设开始于上世纪50年代。1954年，前苏联建成电功率为5000千瓦的实验性核电站；1957年，美国建成电功率为9万千瓦的希平港原型核电站。这些成就证明了利用核能发电的技术可行性。国际上把上述实验性和原型核电机组称为第一代核电机组。第二代核电技术。上世纪60年代后期，在试验性和原型核电机组基础上，陆续建成电功率在30万千瓦以上的压水堆、沸水堆、重水堆等核电机组，它们在进一步证明核能发电技术可行性的同时，使核电的经济性也得以证明：可与火电、水电相竞争。上世纪70年代，因石油涨价引发的能源危机促进了核电的发展，目前世界上商业运行的400多座核电机组绝大部分是在这段时期建成的，称为第二代核电机组。第三代核电技术。上世纪90年代，为解决三里岛和切尔诺贝利核电站严重事故的负面影响，世界核电界集中力量对严重事故的预防和后果缓解进行了研究和攻关，美国和欧洲先后出台“先进轻水堆用户要求”文件和“欧洲用户对轻水堆核电站的要求”，进一步明确了防范与缓解严重事故、提高安全可靠性和改善人因工程等方面的要求。国际上通常把满足这两份文件之一的核电机组称为第三代核电机组。对第三代核电机组,要求能在2010年前进行商用建造。在国际上，目前已比较成熟的第三代核电压水堆有AP-1000、EPR和System80+三个型号，System80+虽已经美国NRC批准，但美国已放弃不用。第三代核电技术问世以后，受到全球核电用户的普遍关注，包括中国在内的一些核电业主已经选用或准备选用更安全、更经济的第三代核电技术进行新的核电机组建设。第四代核电技术。2000年1月，在美国能源部的倡议下，美国、英国、瑞士、南非、日本、法国、加拿大、巴西、韩国和阿根廷等十个有意发展核能利用的国家，联合组成“第四代国际核能论坛”(GIF)，并于2001年7月签署了合约，约定共同合作研究开发第四代核能系统(GenⅣ)。第四代核能利用系统，是指安全性和经济性都更加优越，废物量极少，无需厂外应急，并具有防核扩散能力的核能利用系统，它的商用化估计要到2030年左右方能实现。2008年10月，国家科技重大专项——华能石岛湾高温气冷堆核电站示范工程正式启动。这个由清华大学研制成功的我国第一台拥有自主知识产权的20万千瓦高温气冷堆核电站，是国际上公认的具有先进技术特征的第四代新型核反应堆。世界核电现状截至2009年8月，全世界商业化投412010年第8期中国有色金属用核电厂反应堆441台，其中：压水堆占60％，沸水堆占21％，重水堆占10％，石磨堆等其他堆型占9％。总装机容量达到3.8645亿千瓦。据IAEA的消息，截止到2009年12月22日，全球各地正在兴建的核电反应堆达到57座。中国以20座而名列第一；俄罗斯、印度和韩国，各为6座，列第二；保加利亚、日本、斯洛伐克、乌克兰等四国为2座，列第三；阿根廷、芬兰、法国、伊朗、巴基斯坦和美国各为1座。另加中国台湾地区在建的2座，全球各地正在兴建的核电反应堆总数达到57座。这57座在建的核电反应堆的装机容量达到0.51923亿千瓦。在全球各地正在兴建的57座核电反应堆中，大部分为压水堆。仅有2座轻水堆、2座快堆、3座重水堆和1座沸水堆。截至2008年年底，核电在全世界发电量中占比约17%，在经济合作与发展组织国家中占23%。根据国际原子能机构(IAEA)2009年对2030年核电容量的最新预测，预计全球核电装机容量在未来20年增加至少40%，全球核电装机容量将达到4.73亿千瓦～7.48亿千瓦。届时全球核电发电量将达到3.522万亿度～5.551万亿度，比2007年增长35.05%～112.85%，占全球总发电量的12%～14%左右。据该机构统计，全球50余国考虑引进核能发电。在未来的能源格局中把发展核电放在重要地位已成为全球各国的共识。我国核电发展现状目前我国核能利用程度还很低：截至2008年年底，我国已投产的核电站有6座，共11台核电发电机组906.8万千瓦，仅占全国总装机容量的1.1%左右，2008年核电发电量684亿千瓦时，占总发电量的1.99%。根据《核电中长期发展规划（2005-2020年）》，到2010年，国内在运行核电装机容量1200万千瓦；到2020年，在运行核电装机容量4000万千瓦，在建核电装机容量1800万千瓦，核电占全部电力装机量将提高到4％。为实现上述目标，在未来10年中，我国每年要开工建设3台以上核电机组，年复合增长率近17%。最近有消息称，2020年的核电目标有望调整为7000万千瓦至8600万千瓦。我国核电新建项目较多。目前在建的有11座核电站，其中有引进美国西屋AP1000技术建设的浙江三门一期2台125万千瓦核电机组、山东海阳一期2台125万千瓦核电机组；引进欧洲EPR技术建设的广东台山2台170万千瓦核电机组，以及海南核电一期2台65万千瓦核电机组等项目相继开工，装机容量超过1000万千瓦。筹建的核电站有25座，其中广东韶关、江西、湖南和湖北等核电项目可望2010年开工。核电材料迎来发展机遇一台百万千瓦压水堆核电机组，核岛通常包括1台反应堆压力容器、1台稳压器、3台蒸汽发生器、3台主冷却泵、3台蓄势器（安注箱）、1台硼注射器、堆芯及堆内构件和控制棒驱机构等。所用金属材料主要有碳钢、低合金钢、奥氏体不锈钢、镍基合金、钛管和锆合金等。需要碳钢、低合金钢板和锻件4000吨～4500吨；奥氏体不锈钢板和锻件3000吨～3500吨；马氏体不锈钢锻件500吨、铸件200吨；镍基、铁基合金管、棒、带、丝600吨～800吨；钛直缝焊管150吨；锆合金管、棒、带8吨/年。大量核电新建项目，给核电材料带来很大的发展空间。核电材料是指用于民用核设施中的核承压设备制造、维修，并需符合有关核安全法规、导则和技术标准的钢铁和有色金属材料。核电材料中有色金属材料起着重要的作用，核反应堆中的结构材料（包括燃料包壳、堆芯构件、反应堆容器、热交换器和主回路管道等所用材料）主要为锆合金、钛合金、锑铍芯块，控制材料涉及银铟镉合金、铪及铪合金、碳化硼芯块等，反应层材料等要用到铍、氧化铍、氧化锆等有色金属材料。过去核电设备用关键金属材料的国产化程度低。由于没有核电站整体设计权和核关键设备的知识产权，核电关键设备所用材料的选用和制造、标准体系建设也无话语权，主要依靠国外的技术采购规格书向国外企业采购，致使核电关键设备用金属材料的开发不能支撑核电设备国产化的需要。我国在建堆型的大型化，以及技术来源的多样化，又为关键设备用材料国产化增添了一定的难度。我国核电材料研制和生产近几年取得了较大进展，一批技术含量高、难度大的项目已投产达标。2009年10月24日，国核宝钛锆业股份公司成功研制出了Φ280mm、重300Kg的我国第一个核级工业化Zirlo合金铸锭。Zirlo合金是美国西屋电气公司研发出的一种新型锆合金，该合金具有优良的机械加工性能和核性能，是AP1000第三代核反应堆燃料组件的关键结构材料。国内一批企业或科研院所在核电材料国产化研究方面也取得了成效，如西部金属材料股份有限公司可提供核电控制材料核级银-铟-镉合金棒、西北稀有金属材料研究院可提供锑铍芯块、铍等材料。锆和铪是核反应堆不可或缺的关键材料。锆基合金由于其与核燃料优良的相容性和优异的耐腐蚀性和加工性能，用于核燃料的包壳、隔架、端塞和其他堆芯材料。由于燃料的消耗及辐射，每年要更换三分之一，使其成为经常性消耗材料。有资料和国际核电建设的实践表明，每1万千瓦核电首炉装机容量需锆材0.3吨～0.35吨。目前我国核电站所需锆材已高达190吨，每年换料达60吨以上，2010年的换料将达到120吨以上。但目前我国核电所需的锆材大量来自国外，如果国外停止材料供应，势必影响电站的正常运行。我国核电工业的迅速发展，为核电材料带来了广阔的发展空间和机遇。再加上国家要求逐步提高核电设备国产化的比例，从国家核电技术公司成立以来，也一直围绕我国第三代核电自主化发展的目标，坚持推进核电关键设备和重要材料的国产化和自主化。我国核电材料正迎来一个新的发展机遇和空间。中（作者单位：有色金属技术经济研究院）