反应堆压力容器

核电站中的反应堆压力容器(RPV)是包含核反应堆冷却剂、堆芯护罩和反应堆堆芯的压力容器。

RBMK反应堆将每个燃料组件封闭在单独的8厘米直径管道中，而不是具有压力容器。虽然大多数动力反应堆确实有压力容器，但它们通常根据冷却剂的类型而不是用于容纳冷却剂的容器的配置进行分类。分类如下：

• 轻水反应堆——包括压水反应堆和沸水反应堆。大多数核动力反应堆都属于这种类型。
• 石墨慢化反应堆-包括切尔诺贝利反应堆(RBMK)，与俄罗斯和世界各地的绝大多数核电站相比，它的反应堆配置非常不寻常。
• 气冷热反应堆——包括先进气冷反应堆、气冷快中子增殖反应堆和高温气冷反应堆。气冷反应堆的一个例子是英国Magnox。
• 加压重水反应堆——以某种方式利用重水，或氢同位素氘比例高于正常比例的水。但是，D2O（重水）更昂贵，可以用作主要成分，但在这种情况下不一定用作冷却剂。重水反应堆的一个例子是加拿大的CANDU反应堆。
• 液态金属冷却反应堆——利用液态金属，例如钠或铅铋合金来冷却反应堆堆芯。
• 熔盐反应器——盐，通常是碱金属和碱土金属的氟化物，用作冷却剂。操作类似于具有高温和低压的金属冷却反应堆，与水或蒸汽冷却设计相比，减少了施加在反应堆容器上的压力。

在具有压力容器的主要反应堆类别中，压水反应堆的独特之处在于压力容器在运行过程中会遭受大量的中子辐照（称为注量），因此随着时间的推移可能会变得易碎。特别是沸水反应堆的较大压力容器更好地屏蔽了中子通量，因此虽然由于这种额外的尺寸首先制造成本更高，但它具有不需要退火以延长其寿命的优势。压水反应堆容器退火以延长其使用寿命是一项复杂且高价值的技术，核服务提供商(AREVA)和压水反应堆运营商正在积极开发。

无论具体设计如何，所有压水反应堆压力容器都有一些共同特征。

反应堆容器主体是xxx的部件，设计用于容纳燃料组件、冷却剂和配件，以支持冷却剂流动和支撑结构。它通常是圆柱形的，顶部是敞开的，以便装载燃料。

该结构连接到反应堆容器主体的顶部。它包含允许控制棒驱动机构连接到燃料组件中的控制棒的贯穿件。冷却剂液位测量探头也通过反应堆容器头部进入容器。

核燃料的燃料组件通常由铀或铀-钚混合物组成。它通常是网格状燃料棒的矩形块。

保护容器内部免受从燃料组件中逸出的快中子的影响是围绕燃料组件包裹的圆柱形护罩。反射器将中子送回燃料组件，以更好地利用燃料。主要目的是保护容器免受快中子引起的损坏，这种损坏会使容器变脆并缩短其使用寿命。

RPV在PWR反应堆的安全方面发挥着关键作用，所使用的材料必须能够在高温和高压下容纳反应堆堆芯。容器圆柱形外壳中使用的材料随着时间的推移而发展，但通常它们由低合金铁素体钢组成，并覆有3-10毫米的奥氏体不锈钢。不锈钢覆层主要用于与冷却剂接触的位置，以尽量减少腐蚀。到1960年中期，SA-302，B级，一种钼镁板钢，被用于船体。由于改变设计需要更大的压力容器，因此需要在该合金中添加大约0.4-0.7wt%的镍以提高屈服强度。其他常见的钢合金包括SA-533GradeBClass1和SA-508Class2。这两种材料的主要合金元素是镍、锰、钼和硅，但后者还包括0.25-0.45wt%的铬。参考文献中列出的所有合金也含有>0.04wt%的硫。低合金NiMoMn铁素体钢因其高导热性和低热膨胀特性而具有吸引力，这些特性使其能够抵抗热冲击。然而，在考虑这些钢的特性时，必须考虑到它对辐射损伤的反应。由于恶劣的条件，RPV汽缸壳材料通常是限制核反应堆寿命的部件。除了物理和机械性能外，了解辐射对微观结构的影响将使科学家能够设计出更能抵抗辐射损伤的合金。2018年，Rosatom宣布已开发出一种用于RPV的热退火技术，可改善辐射损伤并将使用寿命延长15至30年。这已在巴拉科沃核电站的1号机组上得到证明。

由于核能发电的性质，RPV中使用的材料不断受到高能粒子的轰击。这些粒子可以是中子，也可以是裂变事件产生的原子碎片。当其中一个粒子与材料中的原子碰撞时，它会转移一些动能并将原子从晶格中的位置撞出。当这种情况发生时，这个被取代的初级敲击原子（PKA）和高能粒子可能会反弹并与晶格中的其他原子发生碰撞。这会产生连锁反应，导致许多原子从原来的位置移位。这种原子运动导致产生许多类型的缺陷。各种缺陷的累积会导致微观结构变化，从而导致宏观性能下降。如前所述，由PKA引起的连锁反应通常会在边缘留下一连串的空位和缺陷簇。这称为位移级联。位移级联的空位丰富的核心也可以坍缩成位错环。由于辐照，材料往往会产生比典型钢中更高浓度的缺陷，并且高温操作会导致缺陷迁移。这可能会导致间隙和空位的重组以及类似缺陷的聚集，这可能会产生或溶解沉淀物或空隙。下陷或缺陷迁移到的热力学有利位置的示例是晶界、空隙、

缺陷和合金元素之间的相互作用会导致原子在晶界等汇点重新分布。可能发生的物理效应是某些元素会在这些区域中富集或贫化，这通常会导致晶界脆化或其他有害的性能变化。这是因为空位流向汇，而原子流向汇或远离汇，可能具有不同的扩散系数。不均匀的扩散速率导致原子浓度不一定在正确的合金比例中。据报道，镍、铜和硅倾向于在汇处富集，而铬倾向于耗尽。由此产生的物理效应正在改变晶界或空隙/非共格沉淀物周围的化学成分，

由于空位的聚集而形成空隙，并且通常在较高温度下更容易形成。气泡只是充满气体的空隙。如果存在嬗变反应，它们就会发生，这意味着由于中子轰击引起的原子分解而形成气体。空隙和气泡的xxx问题是尺寸不稳定性。一个非常成问题的例子是具有严格尺寸公差的区域，例如紧固件上的螺纹。

诸如空隙或气泡、沉淀物、位错环或线以及缺陷簇等缺陷的产生可以增强材料，因为它们阻碍了位错运动。位错的运动是导致塑性变形的原因。虽然这会使材料变硬，但缺点是会降低延展性。RPV中失去延展性或增加脆性是危险的，因为它可能在没有警告的情况下导致灾难性故障。当延性材料失效时，在失效前会出现明显的变形，可以对其进行监测。脆性材料在压力下会破裂并爆炸，而没有太多的事先变形，因此工程师无法检测材料何时会失效。钢中可能导致硬化或脆化的一种特别有害的元素是铜。富铜沉淀物非常小（1-3nm），因此它们可有效钉扎位错。已经认识到铜是用于RPV的钢中的主要有害元素，特别是如果杂质水平大于0.1wt%。因此，开发清洁钢或杂质含量极低的钢对于减少辐射引起的硬化很重要。

当材料承受低于其屈服应力的应力水平时，会发生蠕变，随着时间的推移会导致塑性变形。当材料在高温下暴露于高应力时，这种情况尤其普遍，因为扩散和位错运动发生得更快。由于应力和微观结构发展之间的相互作用，辐照会引起蠕变。在这种情况下，由于高温引起的扩散率增加并不是引起蠕变的非常重要的因素。由于在因辐射损伤而形成的缺陷周围会产生位错环，因此材料的尺寸可能会在施加应力的方向上增加。此外，施加的应力可以使间隙更容易被位错吸收，这有助于位错攀爬。

由于晶界的脆化或其他可以作为裂纹引发剂的缺陷，在裂纹处添加辐射攻击会导致晶间应力腐蚀开裂。由于辐射而形成的主要环境压力源是裂纹尖端的氢脆。当辐射将水分子（由于水是PWR中的冷却剂而存在）分解为OH-和H+时，会产生氢离子。有几种可能的机制可以解释氢脆，其中三种是脱聚机制、压力理论和氢攻击方法。在去内聚机制中，人们认为氢离子的积累会降低金属与金属的结合强度，这使得原子更容易分裂。压力理论是氢可以作为气体在内部缺陷处沉淀并在材料内产生气泡的想法。除了施加的应力外，由膨胀气泡引起的应力降低了材料断裂所需的总应力。氢攻击法类似于压力理论，但在这种情况下，怀疑氢与钢中的碳反应形成甲烷，然后在表面形成水泡和气泡。在这种情况下，钢的脱碳增强了气泡带来的附加应力，从而削弱了金属。除了氢脆之外，辐射诱发的蠕变还会导致晶界相互滑动。这进一步使晶界不稳定，使裂纹更容易沿其长度扩展。

非常恶劣的环境需要新的材料方法来对抗机械性能随时间的下降。研究人员试图使用的一种方法是引入特征来稳定置换的原子。这可以通过添加晶界、超大溶质或小的氧化物分散剂来实现，以尽量减少缺陷移动。通过这样做，辐射引起的元素偏析会减少，这反过来会导致晶界更具延展性和晶间应力腐蚀开裂更少。阻止位错和缺陷移动也将有助于增加对辐射辅助蠕变的抵抗力。据报道，尝试使用氧化钇来阻止位错运动，但发现技术实施带来了比预期更大的挑战。