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不锈钢在核工业领域的应用及选材分析
来源: 上海牧岩 阅读量：
1.核燃料工业。
天然铀矿中能够产生裂变反应的U235仅占0.7%，不能做为核燃料使用，必须经过各种加工过程将其浓缩到2%-4%U235的产品供反应堆使用，经反应堆运行后，乏燃料中的未燃耗的U235和新生产的Pu239需经再处理工艺循环将其回收。铀矿开采-水冶-浓缩-反应堆-化学处理等构成了核燃料工业的完整系统，在整个核燃料循环过程中，大量使用不锈钢和耐蚀合金材料，如果没有相适应的不锈钢材料就不可能有现代化的核燃料工业。
（1）铀的水冶。
铀矿经过碱或酸洗-溶剂浸出-溶剂萃取-脱硝工序，最终形成U3O8。在上述工艺过程中得不锈钢材料使用情况如下表。由于用碱浸出，腐蚀性较弱，使用普通钢即可，但液-气界面处使用0Cr17Ni14Mo2制作挡板，可防止硫化物飞溅而产生点蚀。在使用硝酸浸出时，使用抗晶间腐蚀的18-8型奥氏体不锈钢。当用硫酸浸出时，需使用含钼或钼铜复合的Cr-Ni奥氏体不锈钢，在存在腐蚀的条件应使用沉淀强化的奥氏体不锈钢。
（2）铀的精炼。
将水冶厂生产的U3O8转换成UF4，再将UF4转换成UF6，在实际生产中存在湿法和干法两种工艺。
干法生产UF4的工艺过程中，设备材料将遭到硝酸、硝酸蒸汽、UO2(NO3)2的腐蚀，所使用的材料视工序环节有所不同，见下表：
（3）铀的浓缩。
气体扩散法分离U235，压缩机的隔离套使用0Cr35Ni65Al。离心分离高速旋转筒使用马氏体时效钢。
（4）核燃料再处理。
将反应堆用过的乏燃料或将生产堆照辐的核燃料经化学处理分离U和Pu，并将危险的的核分裂生产物分离的化学加工过程称核燃料再处理，亦称后处理。
核燃料再处理，当前成熟的工艺是水法，其回收过程由燃料元件脱壳、燃料溶解和燃料的分离和回收三部分组成。最后一部分的材料问题可参见铀的精制部分。在前两部分，其工艺介质具有强烈的腐蚀性，因此核燃料后处理工厂的装置和管线、泵、阀门几乎是由不锈钢和耐蚀合金堆砌而成。因工艺介质条件不同所选用的材料也存在差异，见下表：
燃料芯的溶解 通常采用与脱壳相同或相似的溶液进行溶解。在溶解金属铀、氧化铀和铀-铝燃料时，广泛使用硝酸，溶解器材料一般使用0Cr23Ni13Nb，00Cr19Ni10和Carpenter20合金。
高放废液处理装置 高放废液是核燃料再处理循环中各种废气、高放射性废液的混合介质，其腐蚀性非常强烈，常常含有HNO3、硫酸根、铁离子的成分，处理这种废液应严防设备泄露，以免污染环境，装置的材料为00Cr18Ni9和00Cr25Ni20Nb，后者耐蚀性最佳，正在运行的后处理厂均以它为反应器（蒸发浓缩）的结构材料。
2.核动力工业。
（1）轻水堆
用于发电提供动力的反应堆，一般用水进行冷却，统称轻水堆。轻水堆可区分为压水堆（PWR）和沸水堆（BWR），PWR为主导堆型。
压水堆核电站用不锈钢情况见下表：
（2）钠冷炔堆
燃料包壳材料为改进型的含Ti的316不锈钢。钠容器和热工回路使用00Cr18Ni12Mo2。根据温度的不同，其蒸发器和过热器可使用2 1/4 Cr-1Mo、0Cr18Ni10Ti、0Cr17Ni14Mo2，0Cr18Ni9、Incology800等。
天然铀矿中能够产生裂变反应的U235仅占0.7%，不能做为核燃料使用，必须经过各种加工过程将其浓缩到2%-4%U235的产品供反应堆使用，经反应堆运行后，乏燃料中的未燃耗的U235和新生产的Pu239需经再处理工艺循环将其回收。铀矿开采-水冶-浓缩-反应堆-化学处理等构成了核燃料工业的完整系统，在整个核燃料循环过程中，大量使用不锈钢和耐蚀合金材料，如果没有相适应的不锈钢材料就不可能有现代化的核燃料工业。
（1）铀的水冶。
铀矿经过碱或酸洗-溶剂浸出-溶剂萃取-脱硝工序，最终形成U3O8。在上述工艺过程中得不锈钢材料使用情况如下表。由于用碱浸出，腐蚀性较弱，使用普通钢即可，但液-气界面处使用0Cr17Ni14Mo2制作挡板，可防止硫化物飞溅而产生点蚀。在使用硝酸浸出时，使用抗晶间腐蚀的18-8型奥氏体不锈钢。当用硫酸浸出时，需使用含钼或钼铜复合的Cr-Ni奥氏体不锈钢，在存在腐蚀的条件应使用沉淀强化的奥氏体不锈钢。
铀水冶厂的不锈钢使用状况
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工艺
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材料
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部位
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| 碱浸出工艺浸出槽 | 碳钢0Cr17Ni12Mo2 | 不锈钢用于浸出槽液-气介面 |
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HNO3浸出，90-100℃ UO2(NO3)2蒸发器120-145℃ |
0Cr18Ni11Nb，0Cr18Ni10Ti 00Cr19Ni10 0Cr18Ni9 0Cr23Ni13Nb |
浸出槽及管线 蒸发器 管道 |
| H2SO4浸出 |
0Cr17Ni12Mo2 00Cr19Ni10 |
搅拌器 萃取罐、管线 |
| 浸出塔加酸管 | 00Cr26Ni35MoCuTi |
加酸管、法兰紧固件、 空气吹管排浆管、溢流管 |
| 有机溶剂萃取脱硝釜 |
0Cr19Ni0 0Cr18Ni11Nb 0Cr18Ni9 |
脱硝釜 脱硝釜 搅拌器 |
将水冶厂生产的U3O8转换成UF4，再将UF4转换成UF6，在实际生产中存在湿法和干法两种工艺。
干法生产UF4的工艺过程中，设备材料将遭到硝酸、硝酸蒸汽、UO2(NO3)2的腐蚀，所使用的材料视工序环节有所不同，见下表：
铀精制工艺装备使用的材料
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工序名称
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装置
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材料
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U3O8硝酸溶解
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溶解器、管道
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0Cr18Ni11Nb
00Cr19Ni10 |
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UO2(NO3)2萃取
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反应萃取桷和管道
泵 |
00Cr19Ni10
Carpenter20 |
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蒸发干燥
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蒸发罐
管道 |
00Cr19Ni10
0Cr23Ni13 |
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脱硝
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脱硝罐
搅拌器 |
00Cr19Ni10、0Cr18Ni11Nb
0Cr18Ni9 |
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UO3（1000℃）
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反应器
搅拌器 |
0Cr23Ni13、0Cr17Ni12Mo2
0Cr17Ni14Mo2、ILLium R，HastelloyC |
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氢氟化
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反应器
搅拌器 |
Inconel 600，Monel第一号合金,
纯Ni第一号，HastelloyC |
气体扩散法分离U235，压缩机的隔离套使用0Cr35Ni65Al。离心分离高速旋转筒使用马氏体时效钢。
（4）核燃料再处理。
将反应堆用过的乏燃料或将生产堆照辐的核燃料经化学处理分离U和Pu，并将危险的的核分裂生产物分离的化学加工过程称核燃料再处理，亦称后处理。
核燃料再处理，当前成熟的工艺是水法，其回收过程由燃料元件脱壳、燃料溶解和燃料的分离和回收三部分组成。最后一部分的材料问题可参见铀的精制部分。在前两部分，其工艺介质具有强烈的腐蚀性，因此核燃料后处理工厂的装置和管线、泵、阀门几乎是由不锈钢和耐蚀合金堆砌而成。因工艺介质条件不同所选用的材料也存在差异，见下表：
核燃料再处理脱壳工艺中得耐蚀材料
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工艺名称
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介质成分
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材料
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NifleX溶解包壳
NifleX溶解包壳 溶解UO2-石墨颗粒燃料 |
1MHNO3-2MHF
60℃，0.3MHF的HF-HNO3 3MHF-23MHNO3，沸腾 |
00Cr25Ni50Mo6CuTi(BMI-HAPO-20)
0Cr35Ni65 合金 0Cr18Ni11Nb，0Cr23Ni13Nb，00Cr19Ni10 |
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Zirlfex工艺溶解锆鍚合金包壳和锆基燃料
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6MNH4F-1MNH4NO3
3MHN4·HF2 |
0Cr23Ni13Nb
HasfelloyF Ni-O-Nel825 00Cr19Ni10 |
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Sulfex溶解不锈钢包壳
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4-6MH2SO4
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Ni-O-Nel825
HasfelloyF HAPO-20，Carpenter20合金 |
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Durex
溶解不锈钢包壳 |
5MHNO3-2MHCL
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Ti
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高放废液处理装置 高放废液是核燃料再处理循环中各种废气、高放射性废液的混合介质，其腐蚀性非常强烈，常常含有HNO3、硫酸根、铁离子的成分，处理这种废液应严防设备泄露，以免污染环境，装置的材料为00Cr18Ni9和00Cr25Ni20Nb，后者耐蚀性最佳，正在运行的后处理厂均以它为反应器（蒸发浓缩）的结构材料。
2.核动力工业。
（1）轻水堆
用于发电提供动力的反应堆，一般用水进行冷却，统称轻水堆。轻水堆可区分为压水堆（PWR）和沸水堆（BWR），PWR为主导堆型。
压水堆核电站用不锈钢情况见下表：
压水堆用不锈钢状况
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名称
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材料
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堆内构件
主冷却管道 控制棒驱动机构 给水加压器 辅助热交换器 |
0Cr17Ni14Mo2，0Cr18Ni10Ti 控氮 00Cr18Ni10
0Cr18Ni10Ti，0Cr17Ni12Mo2 控氮 00Cr17Ni12 00Cr13Ni5Mo，0Cr17Ni4Cu3Nb 控氮 304、1Cr13 0Cr18Ni9 0Cr18Ni9 |
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蒸汽发生器
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0Cr18Ni10Ti，Inconel600
Inconel800，Inconel690 |
燃料包壳材料为改进型的含Ti的316不锈钢。钠容器和热工回路使用00Cr18Ni12Mo2。根据温度的不同，其蒸发器和过热器可使用2 1/4 Cr-1Mo、0Cr18Ni10Ti、0Cr17Ni14Mo2，0Cr18Ni9、Incology800等。
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