能源是人类赖以生存和发展的物质基 础,世界各国均把保证能源供给作为国家安 全战略的基本目标。能源结构从之前单一的 化石能源发展到如今化石能源、可再生能源、 核能、生物质能等多种能源共存的局面。虽 然如此,对环境污染很大的化石能源在总能 源消耗中占的比重仍然很大。为保护全球气 候和环境,节能减排是如今我们必须做好的 一项艰巨工作。习近平总书记明确提出,我 国在 2030 年左右使二氧化碳排放量达到峰 值,争取在 2060 年前实现碳中和。
核能作为一种清洁能源,在降低煤炭消 费、有效减少温室气体排放、缓解能源输送 压力等方面具有独特的优势和发展潜力,是 实现碳达峰和碳中和目标的重要能源组成部分。并且,核能能量巨大,1 千克 U-235 裂 变能为 850000 亿焦耳, 约等于 2700 吨标准 煤的燃烧发热值,是当前理想的“减排”优 选燃料。一座百万千瓦电厂,核电比煤电的 年二氧化碳排放量可减少足足 600 万吨,而 且绿色环保,是未来的理想能源。
那么问题来了,既然核电有如此大的 优势,为何人们还为发不发展核电产生分歧 呢?原因是广为人知的三次核事故,使大家 对核电的安全性产生了顾虑。然而,这几次 事故都是“人为因素”所致。三哩岛核事故 是由于维修过程质保不落实、运行人员业务 不够精干、判断错误而造成。切尔诺贝利核 事故是操作员违反操作规程,在实验中发生 错误导致失控。福岛核事故起因是九级大地震引起的超过 10 米高的大海啸摧毁了应急柴 油机组,导致堆芯失冷,而独立调查委员会 认为根本原因是“人祸” 而不是“天灾”, 是业主对核安全的漠视,是安全监管部门的 失职。因此,单纯从三次核事故证明核电不 安全是不正确的。
事实上,核电站从设计、建造到投入使 用,都遵循严格的规范和标准,以确保其能 在寿命期间安全稳定运行。核反应堆主体结 构材料在长期服役过程中会受高温、辐照的 影响。在此工况下,结构材料会产生蠕变损 伤、疲劳损伤、棘轮失效、蠕变 - 疲劳耦合 损伤以及辐照损伤。为评估这些损伤是否会 对材料结构完整性产生影响,各国通过长期 努力发展了不同评价标准。其中认可度高且 成熟的评价标准有美国 ASME 规范、法国 RCC-MR 规范和英国 R5 规程。只有经过 这些标准严格审核通过后,才能将核反应堆 投入使用。
图 1 核反应堆结构完整性安全评价流程
核反应堆结构完整性安全评价流程见图 1。一般来说, 对结构设计首先会进行弹性分 析评价。弹性分析法是基于弹性本构模型计 算材料在载荷工况下应力、应变响应,进而 对结构材料长期服役的安全性进行评估。其 优点为简单、易于执行,前三代反应堆均是 基于此评价方法进行的设计。但弹性分析法 做了较多简化处理,其安全评价结果往往过 于保守。因此,此类评价方法不适用于结构 要求高的堆型,如上天和下海的小型堆。当 弹性分析方法不满足评估要求时,人们会转 向安全评估更加精准的非弹分析方法。非弹 分析采用材料实际高温非弹本构模型进行计 算,可减小安全评估裕度。这种方法对非弹 本构模型以及数值计算能力要求较高。随着 快堆材料数据的积累以及计算能力的提高, 使用非弹分析方法对核反应堆进行安全评价 是未来发展的一个趋势。
非弹分析方法的核心技术为获得可靠高 温非弹本构模型,能准确描述结构材料长期 在堆中复杂工况下的力学响应。然而,现有 的高温非弹本构模型均是基于短时高温试验 数据进行的宏观唯象拟合,难以准确预测材 料长时力学响应。为解决此问题,工程上采 用方法是基于短时高温试验数据来外推长时 试验数据,然后用于标定本构模型参数。由 于材料在长时服役中变形机制会发生改变, 这种外推法同样会产生较大误差。为此,我 们课题组使用了如图 2 所示多尺度的方法来 获取长时高温非弹本构模型。首先,通过典
图 2 发展基于微结构演化的高温非弹本构模型流程图
型短时高温试验数据可获得短时高温非弹本 构模型;其次, 对短时样品进行微结构表征, 得出微结构演化和微损伤演化规律;然后, 基于上述结果,使用跨尺度模型进行长时虚 拟试验计算, 得到材料长时力学响应;最后, 基于长时力学结果获取高温本构模型参数。 此方法考虑了材料高温物理变形机制,得到 的高温非弹本构模型能准确地描述材料长时 高温变形。这种方法属于材料和力学交叉学 科, 为非弹分析方法中较为前言的研究内容。
总之,核电中结构完整性安全评价主要 有弹性分析和非弹分析两种方法。根据结构 设计的不同裕度可以选择不同的安全评估手 段。对于轻量化要求比较高的核反应堆,如 新生代的热管堆,通常推荐使用评估更为精 准的非弹分析方法。当反应堆结构设计通过规范安全评估后,我们即可保证其在使用过 程中的安全性。此外,核能的利用涉及国民 经济生活的每一个方面,将核能用于发电不 仅能促进国民经济发展,更能体现国家科技 水平和制造能力,也是大国地位的象征,所 以核能永远不会退出历史舞台。
杜柔,特别研究助理,非线性国家力学重点实验室。研究领域:核电材料高温变形, 结构完整性评价。