一、前言

核能主要分為核裂變和核聚變兩類(lèi)。目前人類(lèi)可駕馭的可控核裂變技術(shù)已用于工程建設(shè)核電站，為人類(lèi)提供清潔能源供應(yīng)。而核聚變技術(shù)還處于研發(fā)階段。本文所提到的核能技術(shù)主要指的是核裂變技術(shù)。

二、我國(guó)核能技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

核能技術(shù)是國(guó)家核心競(jìng)爭(zhēng)力的標(biāo)志性技術(shù)，是戰(zhàn)略必爭(zhēng)的高科技領(lǐng)域，是軍民深度融合發(fā)展的戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)之一。新中國(guó)成立以來(lái)，我國(guó)核能行業(yè)從早期的自力更生、艱苦奮斗到近期的創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展，走出了一條具有中國(guó)特色的“引進(jìn)、消化、吸收、創(chuàng)新、超越”發(fā)展路線(xiàn)。我國(guó)已經(jīng)建立自主和完整的核工業(yè)體系，尤其是改革開(kāi)放以來(lái)，我國(guó)核能技術(shù)研究更是呈現(xiàn)出百花齊放的局面。進(jìn)入 21 世紀(jì)后，我國(guó)在引進(jìn)、消化、吸收世界領(lǐng)先的 AP1000和 EPR 第三代壓水堆核電技術(shù)基礎(chǔ)上，自主創(chuàng)新研發(fā)了同樣具有世界領(lǐng)先水平的“華龍一號(hào)”和CAP1400 大型先進(jìn)壓水堆核電技術(shù)，其中“華龍一號(hào)”國(guó)內(nèi)示范工程已開(kāi)工建設(shè)，且“華龍一號(hào)”還成功出口巴基斯坦，國(guó)內(nèi)外首堆建設(shè)進(jìn)展順利。CAP1400 示范工程已經(jīng)具備開(kāi)工建設(shè)條件；高溫氣冷堆和鈉冷快堆正在積極推進(jìn)示范工程的建設(shè)；中國(guó)科學(xué)院先導(dǎo)計(jì)劃支持下的熔鹽堆和加速器驅(qū)動(dòng)（ADS）次臨界裝置已完成示范工程選址；超臨界水堆、行波堆等核能系統(tǒng)正在加強(qiáng)基礎(chǔ)研究和工程設(shè)計(jì) [1,2]。

壓水堆是目前全球最成熟的商業(yè)核電技術(shù)。20 世紀(jì) 80 年代，我國(guó)核電確定了以壓水堆技術(shù)為主的發(fā)展路線(xiàn)，迄今我國(guó)在運(yùn)和在建的 56 臺(tái)核電機(jī)組中有 52 臺(tái)是壓水堆，在未來(lái)一定發(fā)展時(shí)期內(nèi)，第三代大型先進(jìn)壓水堆核電技術(shù)將是建設(shè)的主力堆型。2016 年 3 月，國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)、國(guó)家能源局聯(lián)合發(fā)布了《能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃（2016—2030 年）》（下稱(chēng)《行動(dòng)計(jì)劃》），《行動(dòng)計(jì)劃》將先進(jìn)核能技術(shù)創(chuàng)新放在顯著的位置，明確：當(dāng)前我國(guó)優(yōu)先發(fā)展壓水堆核電站，提高建成運(yùn)行的第二代壓水堆核電站的安全性和經(jīng)濟(jì)性，引進(jìn)消化國(guó)外第三代壓水堆核電技術(shù)，開(kāi)發(fā)以“華龍一號(hào)”和 CAP1400 為代表的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的第三代壓水堆核電技術(shù)，使我國(guó)第三代核電技術(shù)全面處于國(guó)際領(lǐng)先水平，實(shí)現(xiàn)系列化發(fā)展。總體上，我國(guó)核能產(chǎn)業(yè)穩(wěn)步高效發(fā)展，已成為世界核能領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)和工程中心。在此基礎(chǔ)上，我國(guó)將繼續(xù)大力推進(jìn)世界核能科技中心和創(chuàng)新高地建設(shè)，使我國(guó)早日成為世界核能科技強(qiáng)國(guó)。

三、我國(guó)核能用材發(fā)展的現(xiàn)狀及問(wèn)題

新一代核能技術(shù)聚焦核能發(fā)電技術(shù)，涵蓋了大型先進(jìn)壓水堆、模塊式小型堆、高溫氣冷堆、快堆、熔鹽堆、加速器驅(qū)動(dòng)次臨界系統(tǒng)、超臨界水堆、行波堆等。

（一）我國(guó)新一代核能用材發(fā)展現(xiàn)狀

近十余年，在有關(guān)企業(yè)的努力下，尤其在大型先進(jìn)壓水堆和高溫氣冷堆國(guó)家重大科技專(zhuān)項(xiàng)和快堆專(zhuān)項(xiàng)的支持下，我國(guó)壓水堆、高溫氣冷堆和快堆的核島主設(shè)備材料技術(shù)取得了巨大進(jìn)步。以壓水堆為主體的工程堆核島主設(shè)備材料技術(shù)問(wèn)題已解決，實(shí)現(xiàn)了自主化和大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化。這些工程堆核島主設(shè)備材料技術(shù)產(chǎn)業(yè)鏈布局已完成，顯著提升了我國(guó)高端裝備制造業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力。

熔鹽堆等處于研究階段堆型的主設(shè)備材料技術(shù)尚處于工業(yè)初試或?qū)嶒?yàn)室研究階段。雖然壓水堆核燃料已實(shí)現(xiàn)了本地化批量生產(chǎn)，但包括壓水堆在內(nèi)的我國(guó)所有核反應(yīng)堆核燃料及材料尚未最終形成自主化，乏燃料后處理過(guò)程所需材料技術(shù)尚需開(kāi)展系統(tǒng)的研究。

（二）我國(guó)新一代核能用材發(fā)展存在的主要問(wèn)題

1. 新一代核能用材發(fā)展存在的共性問(wèn)題

我國(guó)從核能大國(guó)向核能強(qiáng)國(guó)邁進(jìn)的主要標(biāo)志是形成自主創(chuàng)新的可大規(guī)模布置的工程化核能技術(shù)，而核能工程化的最關(guān)鍵支撐是材料技術(shù)。我國(guó)目前尚無(wú)新一代核能用材的頂層設(shè)計(jì)和統(tǒng)籌規(guī)劃，即沒(méi)有國(guó)家層面的新一代核能用材發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃，嚴(yán)重影響了我國(guó)核能用材的自主、高效、有序發(fā)展。凝聚共識(shí)和全局統(tǒng)籌的新一代核能用材發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃對(duì)我國(guó)核能產(chǎn)業(yè)盡早實(shí)現(xiàn)全面自主化和走向世界具有戰(zhàn)略性意義。

我國(guó)同時(shí)開(kāi)展眾多堆型研究，造成核能相關(guān)研發(fā)力量和資源的分散；同時(shí)開(kāi)展多種方式的第四代堆型研究，并在堆型技術(shù)并不十分成熟的情況下急于開(kāi)展示范工程建設(shè)，這必將造成我國(guó)非常有限的核工程資源的浪費(fèi)，也存在潛在的核安全風(fēng)險(xiǎn)。核工程堆技術(shù)研究需要巨大的人力和經(jīng)費(fèi)投入，應(yīng)在國(guó)家核能發(fā)展規(guī)劃頂層設(shè)計(jì)中進(jìn)行協(xié)調(diào)，以提高我國(guó)核工程人力和經(jīng)費(fèi)的使用效率。

我國(guó)工程級(jí)輻照實(shí)驗(yàn)裝置能力嚴(yán)重不足，制約了核島材料、核燃料及包殼材料、增材制造材料的快速發(fā)展。

乏燃料后處理過(guò)程所需材料尚未系統(tǒng)開(kāi)展研究。“華龍一號(hào)”和 AP1000 等壓水堆核島設(shè)備分別采用 RCC-M 和 ASME 標(biāo)準(zhǔn)體系，增加了材料研究、設(shè)備制造和核安全監(jiān)管的復(fù)雜度和工作量。

2. 工程化建設(shè)堆用材存在的主要問(wèn)題

第三代壓水堆核島主設(shè)備結(jié)構(gòu)材料實(shí)現(xiàn)了自主化和產(chǎn)業(yè)化，但產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性尚需進(jìn)一步提高。大型先進(jìn)壓水堆核電站主體材料主要為核島和常規(guī)島的關(guān)鍵設(shè)備結(jié)構(gòu)材料，主要包括反應(yīng)堆壓力容器、蒸汽發(fā)生器、穩(wěn)壓器、堆內(nèi)構(gòu)件、控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、主管道、主泵、閥門(mén)、汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)等設(shè)備材料。這些材料種類(lèi)較多，屬于品種多、批量小、性能要求極高的材料，涵蓋碳鋼、低合金鋼、不銹鋼、鋯合金、鈦鋁合金、鎳基合金、高分子絕緣材料等，按品種則有鑄鍛件、板、管、圓鋼、焊材等。可以將大型先進(jìn)壓水堆核電站主體材料分為三大類(lèi)：一是復(fù)雜異形一體化特大型合金鋼鍛件材料。主要包括反應(yīng)堆壓力容器 SA508-3cl.1 特大鍛件、蒸汽發(fā)生器 SA508-3cl.2 特大鍛件、常規(guī)島汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子 3.5NiCrMoV 特大鍛件。此類(lèi)材料要求具有合適的強(qiáng)度、優(yōu)異的低溫韌性以及良好的截面均勻性。制備工藝主要為組織細(xì)化與穩(wěn)定化和低溫韌性提升的熱處理技術(shù)、高純凈、高均勻鋼錠冶煉控制技術(shù)和復(fù)雜異形一體化特大鍛件的鍛造技術(shù)。二是異形整體不銹鋼大鍛件材料。主要包括整體鍛造主管道 316LN 奧氏體不銹鋼大鍛件和壓緊彈簧F6NM 馬氏體不銹鋼大型環(huán)鍛件。此類(lèi)材料要求具有足夠的強(qiáng)度、良好的塑性和斷裂韌性，特別是要求具有良好的抗應(yīng)力腐蝕斷裂能力，以及良好的抗均勻腐蝕能力和焊接性能。核級(jí)不銹鋼大鍛件材料制備工藝主要為成分精控及高純凈冶煉控制技術(shù)、

鍛造防開(kāi)裂控制技術(shù)、內(nèi)孔加工及彎曲控制技術(shù)、組織晶粒均勻及均勻變形控制技術(shù)等。三是鎳基耐蝕合金精密管件材料。主要包括蒸發(fā)器 690 合金 U形傳熱管，此類(lèi)材料要求具有良好的抗應(yīng)力腐蝕斷裂的性能、良好的抗均勻腐蝕能力、良好的加工性能（彎管、脹管等）、良好的制管性能和焊接性能。690 合金 U 形管為制管皇冠上的明珠，其制備工藝主要為高均勻、超純凈冶煉工藝，熱擠壓成型質(zhì)量控制技術(shù)，超長(zhǎng)薄壁小口徑管材冷加工技術(shù)，超長(zhǎng)、薄壁、小口徑管的在線(xiàn)脫脂控制技術(shù)，TT（Thermal Technology）熱處理控制技術(shù)等。大型先進(jìn)壓水堆核電站主體材料在服役期內(nèi)大多承受著高溫、高壓、流體沖刷腐蝕，甚至是強(qiáng)烈的中子輻照等惡劣條件，有些設(shè)備材料要求在 60 年全壽命周期內(nèi)不可更換。因此對(duì)設(shè)備材料的性能提出了極其嚴(yán)苛的要求，除了如傳統(tǒng)材料要求良好的強(qiáng)韌性匹配、優(yōu)良的焊接性、冷熱加工性能外，有些材料還要求具有優(yōu)良的抗輻照脆性、優(yōu)良的抗腐蝕性和耐時(shí)效性能以及優(yōu)異的截面均質(zhì)性能。

高溫氣冷堆核島結(jié)構(gòu)材料基本實(shí)現(xiàn)自主化，未來(lái)超高溫氣冷堆耐熱材料尚未開(kāi)展研究，蒸發(fā)器傳熱管和石墨材料的應(yīng)用性能研究尚需進(jìn)一步研究。高溫金屬結(jié)構(gòu)材料是超高溫氣冷堆技術(shù)發(fā)展的主要瓶頸。目前高溫氣冷堆堆芯氦氣出口溫度為 750 ℃，未來(lái)超高溫氣冷堆堆芯氦氣出口溫度將提高到 900~1000 ℃，相應(yīng)的蒸汽發(fā)生器、堆內(nèi)金屬構(gòu)件、氦 – 氦中間換熱器等耐熱材料均需滿(mǎn)足高溫力學(xué)性能和物理性能的要求。鎳基耐熱耐蝕合金作為高溫氣冷堆傾向采用的高溫金屬結(jié)構(gòu)材料，其國(guó)產(chǎn)化和自主化研究工作尚未系統(tǒng)開(kāi)展。我國(guó)在早期生產(chǎn)堆和 HTR-10 階段研發(fā)過(guò)核石墨，但其尺寸規(guī)格、輻照性能、輻照壽命均無(wú)法達(dá)到目前高溫氣冷堆技術(shù)發(fā)展要求，目前高溫氣冷堆示范工程 HTR-PM 采用的是日本東洋炭素的核石墨產(chǎn)品。近年我國(guó)核石墨研發(fā)已有了新進(jìn)展，中鋼集團(tuán)新型材料（浙江）有限公司、方大集團(tuán)股份有限公司等國(guó)內(nèi)企業(yè)正在推進(jìn)核石墨國(guó)產(chǎn)化的工作。

長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)壓水堆和快堆等核燃料及材料受制于國(guó)外，近年我國(guó)壓水堆核燃料取得較大進(jìn)展，基本上可實(shí)現(xiàn)自給，但尚未最終實(shí)現(xiàn)完全自主化。雖然高溫氣冷堆核燃料基本實(shí)現(xiàn)自主化，但產(chǎn)能擴(kuò)大和性能擴(kuò)展等問(wèn)題尚需進(jìn)一步研究。這些材料研發(fā)周期長(zhǎng)，需輻照考驗(yàn)并需反復(fù)進(jìn)行工程驗(yàn)證。

3. 研發(fā)階段堆用材存在的主要問(wèn)題

熔鹽堆和 ADS 次臨界裝置核島結(jié)構(gòu)材料初步確定了選材，并開(kāi)展了工業(yè)試制，但材料在工程環(huán)境下的適用性尚需系統(tǒng)研究。熔鹽堆構(gòu)件，包括壓力容器、回路管道、熱交換管等，都須在高溫、熔鹽腐蝕和中子輻照等多重極端環(huán)境下長(zhǎng)期、穩(wěn)定、有效工作，很難找到一種滿(mǎn)足上述條件的成熟工程材料，因此結(jié)構(gòu)材料是熔鹽堆研發(fā)過(guò)程中的一個(gè)非常突出的技術(shù)難題。20 世紀(jì) 40~60 年代，美國(guó)橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（ORNL）在專(zhuān)門(mén)為核動(dòng)力飛機(jī)（ANP）和熔鹽堆項(xiàng)目（MSRE）研發(fā)了一種鎳基合金，也是世界上迄今為止唯一在熔鹽堆服役過(guò)的結(jié)構(gòu)合金——Hastelloy N 合金。超臨界水堆和行波堆核島選材尚處于實(shí)驗(yàn)室篩選階段，工程化試制尚未開(kāi)展。

熔鹽堆固態(tài)燃料和液態(tài)燃料尚處于實(shí)驗(yàn)室研發(fā)階段。鉛冷快堆、鈉冷快堆、超臨界水堆和行波堆燃料及包殼材料尚在選材階段。

4. 核能用材發(fā)展存在的政策問(wèn)題

核能材料（核島結(jié)構(gòu)材料、核燃料材料、后處理材料）安全可靠性要求高，需要特殊考核，研發(fā)周期長(zhǎng)，資金需求量大，需反復(fù)進(jìn)行工程驗(yàn)證。在現(xiàn)有科研立項(xiàng)（五年計(jì)劃）體制下，難以連續(xù)完整地開(kāi)展和完成核能材料的全鏈條研制，以致國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程經(jīng)常半途而廢。同樣的原因也制約了增材制造等新技術(shù)與核能材料技術(shù)的結(jié)合。

四、 促進(jìn)我國(guó)新一代核能用材發(fā)展的戰(zhàn)略支撐與保障建議

我國(guó)同時(shí)開(kāi)展多種堆型研究，造成核能材料、技術(shù)研發(fā)力量和資源的分散。應(yīng)加強(qiáng)我國(guó)核能技術(shù)發(fā)展的長(zhǎng)遠(yuǎn)謀劃和戰(zhàn)略布局，在 2030 年前堅(jiān)持大型先進(jìn)壓水堆第三代核電技術(shù)的主體地位，我國(guó)第四代核電技術(shù)和未來(lái)核能技術(shù)的研究開(kāi)發(fā)應(yīng)統(tǒng)籌規(guī)劃，有所側(cè)重。應(yīng)加強(qiáng)科學(xué)評(píng)估，哪些技術(shù)處于基礎(chǔ)研究階段，哪些技術(shù)處于應(yīng)用研究階段，如何協(xié)調(diào)推進(jìn)，需開(kāi)展充分論證。為此，提出促進(jìn)我國(guó)新一代核能用材發(fā)展的戰(zhàn)略支撐和保障建議 [3]。

（一）設(shè)立國(guó)家新一代核能用材專(zhuān)業(yè)指導(dǎo)委員會(huì)

設(shè)立國(guó)家新一代核能用材專(zhuān)業(yè)指導(dǎo)委員會(huì)，該委員會(huì)獨(dú)立于電力企業(yè)，由責(zé)任科學(xué)家、分管部門(mén)有關(guān)領(lǐng)導(dǎo)組成，其主要任務(wù)是根據(jù)國(guó)家核能中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃，凝聚行業(yè)共識(shí)，負(fù)責(zé)制定國(guó)家新一代核能用材發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃，在國(guó)家規(guī)劃層面做到材料先行，從科學(xué)、技術(shù)、工程、產(chǎn)業(yè)四個(gè)層面制定新一代核能用材的近、中、遠(yuǎn)期發(fā)展目標(biāo)及具體任務(wù)，并以五年周期對(duì)上述中、遠(yuǎn)期發(fā)展目標(biāo)及具體任務(wù)做出動(dòng)態(tài)調(diào)整，確保我國(guó)新一代核能用材持續(xù)、有序、高效發(fā)展。

（二）設(shè)立新一代核能用材國(guó)家專(zhuān)項(xiàng)基金或長(zhǎng)期穩(wěn)定支持的專(zhuān)項(xiàng)科技計(jì)劃

大型先進(jìn)壓水堆和高溫氣冷堆國(guó)家重大科技專(zhuān)項(xiàng)的實(shí)施顯著促進(jìn)了我國(guó)核能材料技術(shù)的進(jìn)步和裝備制造業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力的提升。設(shè)立獨(dú)立于電力企業(yè)的由國(guó)家有關(guān)部門(mén)運(yùn)作的國(guó)家新一代核能用材發(fā)展專(zhuān)項(xiàng)基金或長(zhǎng)期穩(wěn)定支持的專(zhuān)項(xiàng)科技計(jì)劃，該基金或科技計(jì)劃的資金來(lái)源可由國(guó)家財(cái)政預(yù)算、企業(yè)和社會(huì)融資組成。通過(guò)該專(zhuān)項(xiàng)基金或科技計(jì)劃支持上述國(guó)家新一代核能用材專(zhuān)業(yè)指導(dǎo)委員會(huì)確定的近、中、遠(yuǎn)期發(fā)展目標(biāo)及具體任務(wù)的持續(xù)、有序、高效開(kāi)展，保障我國(guó)新一代核能用材發(fā)展的支撐性、連續(xù)性、前瞻性、戰(zhàn)略性和創(chuàng)新性。這也是實(shí)現(xiàn)我國(guó)核能技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃的關(guān)鍵之一。尤其是在新時(shí)代中國(guó)“強(qiáng)起來(lái)”的特殊國(guó)際環(huán)境下，通過(guò)長(zhǎng)期穩(wěn)定基金或科技專(zhuān)項(xiàng)支持，自力更生，建立具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)和自主供應(yīng)保障能力的新一代核能用材體系將越來(lái)越重要，對(duì)保障我國(guó)核工程持續(xù)發(fā)展具有戰(zhàn)略意義。

（三）創(chuàng)建我國(guó)新一代核能用材先進(jìn)完整標(biāo)準(zhǔn)體系

第三代百萬(wàn)千瓦壓水堆工程首堆均在我國(guó)建設(shè)，工程實(shí)踐過(guò)程中大部分核島主設(shè)備材料技術(shù)問(wèn)題是由我國(guó)獨(dú)立解決或參與合作解決的，積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)。在 ASME 和 RCC-M 標(biāo)準(zhǔn)和我國(guó)現(xiàn)有能源行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上，我國(guó)具備創(chuàng)新一整套新一代核能用材先進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)體系的條件。在確保核安全的前提下，兼顧核能材料標(biāo)準(zhǔn)的先進(jìn)性和經(jīng)濟(jì)性，以適度先進(jìn)的材料標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范促進(jìn)我國(guó)核能材料技術(shù)及其產(chǎn)品技術(shù)的進(jìn)步和提升，拉升高端裝備制造業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)能力。形成全國(guó)統(tǒng)一的兼顧先進(jìn)性和成熟性的新一代核能用材完整標(biāo)準(zhǔn)體系（包含材料試驗(yàn)、表征和評(píng)價(jià)全過(guò)程標(biāo)準(zhǔn)），為我國(guó)核能技術(shù)盡早走出國(guó)門(mén)，引領(lǐng)世界核能技術(shù)發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

（四）建設(shè)國(guó)家層面的共享型工程級(jí)輻照實(shí)驗(yàn)裝置

工程級(jí)輻照試驗(yàn)是我國(guó)核能用材研發(fā)和工程化的制約性瓶頸問(wèn)題之一。我國(guó)應(yīng)盡快建設(shè)國(guó)家層面共享型工程級(jí)核材料輻照實(shí)驗(yàn)裝置（中心），通過(guò)優(yōu)化和提高裝置效率，加快材料工程化進(jìn)程，促進(jìn)材料創(chuàng)新。從長(zhǎng)遠(yuǎn)看，可考慮把即將到設(shè)計(jì)壽命期的秦山一期 3×105 kW 核電站反應(yīng)堆改造成工程級(jí)實(shí)驗(yàn)研究堆。

（五）在獨(dú)立自主原則下，繼續(xù)開(kāi)展新一代核能用材國(guó)際合作

在新的國(guó)際環(huán)境和形勢(shì)下，首先要繼續(xù)保持和發(fā)揚(yáng)我國(guó)核工業(yè)獨(dú)立自主、自力更生的精神。同時(shí)，在國(guó)家統(tǒng)籌規(guī)劃的重大核能工程國(guó)際合作項(xiàng)目下，要繼續(xù)積極開(kāi)展核燃料材料、乏燃料后處理材料等領(lǐng)域的國(guó)際合作。