核電鋼結構技術在全球核能利用中占據核心地位，其發展歷程經歷了從早期的輕水堆結構到當前三代乃至四代核電技術的先進應用。1980— 2024 年間，核電鋼結構技術顯著進步，設計理念從單一安全性向安全性與經濟性雙重優化轉變，材料科學、制造工藝及施工技術不斷創新。高強度鋼材、耐腐蝕材料的應用，以及數字化、自動化技術的融合，提升了核電鋼結構的安全性與經濟性。然而，極端環境下材料性能的保持、施工工藝與質量控制、防腐問題及全壽命周期內的維護管理仍面臨挑戰。未來，核電鋼結構技術將朝著智能化、輕量化、綠色化方向發展，新材料研發、數字化建造技術及國際合作將成為關鍵。通過應對挑戰，核電鋼結構技術有望為實現核電產業的可持續發展提供堅實支撐。
0 引言
在現代能源結構中，核電作為一種高效、穩定且低碳的能源形式[1] ，其安全高效的運行離不開核電站關鍵構筑物之一——核電鋼結構的技術支持。核電鋼結構體系涵蓋了反應堆安全殼、鋼內襯、內部設備支撐系統、吊車梁及環吊等多種復雜結構[2] ，它們共同構成了核電站堅固耐用的基礎骨架，并承載著極端工況下的力學負荷，確保了核電設施的安全穩定運行。圖 1 為核電站反應堆結構體系的一種典型結構示意。
圖 1 核電站反應堆結構
核電鋼結構技術在核電領域具有十分重要的作用[3] 。首先，其卓越的承重性能和耐高溫、高壓特性是保障核電站長期安全運行的核心要素，尤其是在應對潛在事故風險時，高質量的鋼結構能有效防止放射性物質泄露，確保環境安全[4] 。其次，隨著第三代、第四代核電技術的研發與應用，對核電鋼結構的設計、制造、安裝精度提出了更高要求，進一步推動了相關技術的創新與發展。再者，由于核電建設周期長、投資大，優化核電鋼結構設計不僅可以提升核電站的整體效能[5] ，還能顯著降低建設和運維成本，從而提高核電產業的經濟效益和社會效益。
展望未來，核電鋼結構技術的應用前景廣闊。隨著全球對清潔能源需求的增長以及對核安全標準的持續提升，核電鋼結構技術將面臨更加嚴苛的挑戰，如更強的抗震設計、更優的防腐蝕方案、更精準的制造安裝工藝等。同時，新材料的研發和先進制造技術的應用，如高強度鋼材、3D 打印技術等，也為核電鋼結構技術的發展帶來了新的機遇。
1 核電鋼結構的發展概述
核電鋼結構技術作為一種關鍵的工程技術，在全球核能利用領域扮演著不可或缺的角色。自 20世紀中葉核電站建設起步以來，其鋼結構的設計、制造與應用研究逐步深入且不斷拓展。從早期的輕水堆結構設計到當前三代乃至四代核電技術中的先進鋼結構應用，科研人員在全球范圍內進行了廣泛而深入的研究探索。
回顧研究歷程，美國、法國、日本等在核電鋼結構技術研發方面處于領先地位，尤其在材料性能提升、抗震設計、耐久性研究以及防腐蝕技術等方面積累了豐富的經驗和成果。例如，美國西屋公司在 AP1000 核電項目中采用了創新的鋼制安全殼結構設計，顯著提升了結構整體的安全性和可靠性。而在歐洲，EPR(European Pressurized Reactor)等新型反應堆的設計也廣泛應用了高強度鋼材和先進的焊接技術，有效提高了核電設施的使用壽命和安全性。在國內，我國的核電鋼結構技術研究同樣經歷了從引進、消化吸收到自主創新的過程。自秦山核電站建設以來，我國科研團隊針對國內特殊的地質條件和環境因素，在核電鋼結構的設計理論與方法、高性能鋼材的研發與應用[6-12] 、結構健康監測[13]與維護技術等方面取得了顯著突破。例如，華龍一號和國核一號核電技術的成功研發與應用，標志著我國在核電鋼結構設計與制造方面已達到國際先進水平。
通過對國內外相關研究成果的梳理與分析，發現核電鋼結構技術正朝著高性能、長壽命、智能化的方向快速發展。新材料的研發與應用使得核電鋼結構具有更高的強度和韌性[14-20]，能夠在更嚴苛的環境下穩定運行;同時，借助現代計算模擬技術和健康監測系統，能夠實現對鋼結構實時、準確的狀態評估與維護管理，極大地提高了核電設施的安全系數與經濟效益。
綜上所述，盡管核電鋼結構技術已經取得了顯著的進步，但隨著核電技術向更高安全標準和經濟性的目標邁進，未來的研發工作仍需關注于新材料的研發[21-24]、極端條件下結構性能的保持、以及全生命周期的健康管理等前沿課題。通過持續深化研究并借鑒國際成功經驗，我國核電鋼結構技術有望在未來繼續保持強勁的發展勢頭，為推進清潔能源戰略、保障國家能源安全提供有力支撐。
2 1980—2010 年間核電鋼結構的發展概述
在 1980—2010 年這 30 年時間內，全球范圍內核電鋼結構技術的發展經歷了顯著的演進與革新。隨著世界范圍內對清潔能源需求的增長以及核能技術的不斷進步，核電站的建設規模和數量均呈現出上升態勢，而作為核電站基礎設施核心組成部分的鋼結構技術也隨之邁入了一個全新的發展階段。
在此期間，核電鋼結構的設計理念從單一的安全性向安全性與經濟性的雙重優化轉變。設計院開始注重結構輕量化和模塊化設計，通過采用高強度鋼材和先進的焊接工藝，實現了更大跨度、更高強度且更為緊湊的鋼結構體系，有效提升了核電站的整體建設和運行效率。
同時，在材料科學方面，研究者們針對核電環境下的特殊要求，研發了一系列耐腐蝕、抗輻照損傷的高性能鋼材，并對其在長期服役條件下的性能穩定性進行了深入研究[25-30] 。如我國秦山核電站的部分設施就采用了具有優良耐蝕特性的不銹鋼和低合金高強度鋼，確保了鋼結構在復雜環境下長期安全穩定運行。
核電鋼結構的制造技術和施工技術也得到了顯著提升。通過引入自動化生產線和精確控制的裝配工藝，大幅提高了鋼結構構件的制造精度和質量[31-32]，縮短了建設周期。此外，針對核電站特殊的施工環境和安全標準，創新出了一系列高效的現場安裝技術，比如整體吊裝法、預組裝技術等，使得核電站鋼結構工程的實施更加高效、精準。
這一時期核電鋼結構主要應用在如下領域。
2. 1 安全殼鋼襯里
為防止放射性介質向環境泄漏，在安全殼內壁上設置的鋼制密封結構，包含底板、筒體、穹頂等相關附件。鋼襯里結構如圖 2 所示。
圖 2 鋼襯里結構 mm
其中穹頂鋼襯里為最大的單體部件，質量達 300 多噸，直徑 40 多米，由壁厚為 6 mm 的鋼板焊接而成，其背部分布顯現為網絡狀，由角鋼、錨固釘和錨固件組成。安全殼穹頂鋼襯里拼裝過程及安裝完成如圖 3、4 所示。
圖 3 安全殼穹頂鋼襯里拼裝
圖 4 安全殼穹頂鋼內襯結構
2. 2 殼內鋼結構
殼內部結構有鋼結構設備運輸鋼平臺、內部結構環形鋼平臺、壓力容器頂蓋、存放支架設備檢修平臺、鋼制吊車梁等。安全殼內部整體結構及內部支撐結構如圖 5、6 所示。
圖 5 安全殼內部結構 m
圖 6 安全殼內部支撐結構
然而，盡管這一階段取得了諸多突破性進展，但面對日益嚴格的核電安全標準和環保要求，核電鋼結構的設計、材料選擇和施工方法仍面臨一系列挑戰，如何進一步提高鋼結構的耐久性和適應性，以及如何實現更為綠色、低碳的制造過程等，這些問題都成為了推動該領域持續創新的動力源泉。
總的來看，1980—2010 年這三十年間，核電鋼結構技術在全球范圍內實現了從理論研究到實際應用的飛躍式發展，不僅在工程技術層面達到了新的高度，同時也為后續的技術升級和創新發展奠定了堅實基礎。
3 2010—2024 年間核電鋼結構發展情況
自 2010 年以來，隨著全球對清潔能源需求的不斷增長以及核電技術研發的持續深入，核電鋼結構技術取得了顯著的進步與發展。這一時期，由于材料科學、設計理論、制造工藝和施工技術的革新升級[33-36]，核電站鋼結構的設計與建設展現出全新的面貌。
在設計方面，采用有限元分析等先進計算方法[37]，核電鋼結構設計實現了精細化與優化。工程師們能夠更精確地模擬復雜應力狀態下的結構行為，有效提升了結構的安全裕度并降低了用鋼量。同時，模塊化設計理念逐漸被廣泛應用到核電站鋼結構的設計中，通過將大型結構分解為可獨立制造和組裝的模塊單元，極大地提高了施工效率和工程質量。
在材料科學方面，高性能鋼材的研發與應用成為此階段核電鋼結構發展的一大亮點[38]。例如，針對核反應堆壓力容器和安全殼等關鍵部位，研發出具有更高耐蝕性、抗疲勞性和良好焊接性能的新型鋼材，確保了核電設施在嚴苛工況下的長期穩定運行。
在制造和施工技術方面，數字化、自動化和智能化技術的融合創新為核電鋼結構的制造與安裝提供了強有力的支持。三維建模、機器人焊接、無損檢測等先進技術的應用，不僅提高了制造精度和施工質量，而且縮短了工期，降低了施工成本。
在此期間，世界各國紛紛推進新一代核電技術的研發和應用，如中國的國核一號和美國的 AP1000等型號機組，其核心部件如安全殼、堆芯吊籃等均采用了最新的核電鋼結構技術成果。
這一時期核電鋼結構主要應用于如下領域。
3. 1 鋼制安全殼
目前第三代核電機組——國核一號和美國的 AP1000 等型號機組內層安全殼采用完全鋼結構殼體，結構示意如圖 7 所示。
圖 7 鋼制安全殼
鋼制安全殼是帶上、下橢圓封頭的超大型圓柱形鋼制容器，直徑約 40 m，高約 66 m，鋼質安全殼底封頭如圖 8 所示。殼體最大厚度 47.6 mm，主體焊縫長 約 3 400 m，總 質 量 約 3 600 t，工 作 壓 力 407 kPa，工作溫度-21 ~ 149 ℃ 。
鋼制安全殼主體材質為 SA738 -Gr. B，屬于低合金調質高強度鋼，為保證鋼板的高強度、高韌性要求，材料采用了復雜的合金系統，淬硬性大，且板材厚度大[39-40]。
鋼制安全殼組裝工程改變了原有全部零件板在核島完成組裝的單片吊裝施工方法，采用“ 搭積木”的方式，首先在距離核島幾公里的組裝場地將零件板組裝成直徑約 40 m、最高約 15.5 m 的大型模塊組件，包括 1 個橢圓形的底封頭、1 個頂封頭和 4 個圓柱形筒體，單個模塊組件最大質量約 800 t，然后將這些大型模塊組件整體運輸到核島附近，利用專用的超大型起重設備吊裝到安裝位置完成安裝，實現鋼制安全殼組裝與核島安裝多場地平行施工。鋼質安全殼上、下封頭運輸、吊裝及安裝就位如圖 9 ~ 13 所示。
圖 9 鋼制安全殼底封頭運輸
圖 10 鋼制安全殼頂封頭運輸
圖 11 鋼制安全殼底封頭吊裝
圖 12 鋼制安全殼環吊裝就位
圖 13 鋼制安全殼頂封頭吊裝就位
3. 2 鋼板-混凝土組合結構(SC 結構)
目前第三代核電機組———國核一號和美國的 AP1000 等型號機組反應堆廠房內部結構主要采用大型鋼板-混凝土組合結構(SC 結構)。大型鋼板-混凝土組合結構模塊是一種鋼板外置并采用鋼桁架連接內填素混凝土的新型組合結構，具有承載能力高、抗震性能好、施工便捷以及施工周期短等優點。典型的鋼板混凝土墻體模塊、鋼板模塊以及鋼板-混凝土組合結構如圖 14 ~ 16 所示。
1— 栓釘;2— 角鋼;3— 槽鋼;4— 鋼面板。
圖 14 典型鋼板混凝土墻體模塊
圖 15 SC 中的鋼板模塊
圖 16 鋼板-混凝土組合結構
3. 3 其他典型鋼結構
燃料廠房及其他常規廠房還布置有重型吊車吊車梁、單軌吊車梁、屋蓋鋼梁與壓型鋼板組合結構以及鋼平臺等。常規廠房如圖 17 所示。
圖 17 常規廠房
面對福島核事故等重大事件引發的全球關注，核電鋼結構的安全標準和防護措施也在不斷提升和完善。如增設多重冗余的安全屏障系統，強化抗震、抗沖擊能力的設計，以及提升極端環境下的可靠性和耐用性等方面的研究與實踐，都在這一時期得到了深化和發展。
總體來說，2010—2024 年間，核電鋼結構技術在全球范圍內歷經了快速而穩健的發展，在技術創新、工程實踐和安全保障等方面都取得了重要突破，為核電行業向更加高效、安全、可持續的方向發展奠定了堅實的基礎。盡管面臨諸多挑戰，但可以預見的是，隨著科技水平的持續躍升，未來的核電鋼結構技術將會在保障能源安全、推動低碳經濟發展中發揮更為重要的作用。
4 現存問題及展望
核電鋼結構技術發展至今，在保障核能安全高效利用方面發揮了至關重要的作用。然而，隨著工程技術水平的不斷提升和核電站建設規模的不斷擴大，現存的一些問題也逐漸顯現，并對未來發展趨勢產生深遠影響。
首先，從設計理論層面看，核電鋼結構在應對極端環境下的力學行為預測與安全性評估方面仍存在一定的挑戰。目前，盡管已有的計算模型和方法在常規條件下能夠滿足設計需求，但在地震、高溫、高壓等極端工況下，結構材料性能退化機理復雜且難以精確模擬，對核電鋼結構的設計提出了更高要求。同時，新型高性能鋼材的研發與應用尚未完全滿足核電設施長壽命、高可靠性的特殊需求，這也是當前亟待解決的關鍵問題之一。
核島鋼結構包含鋼襯里、鋼制安全殼、不銹鋼覆面、特種門、特殊鋼結構、鋼板墻結構等。目前設計建造標準除了 ASME、RCCM、AWE 外，還有俄羅斯 ROCT 標準、EN 歐標(EN 287、EN 288)、ETC-C 規范、GB 19869、NB / T 47015 等。
核電廠鋼結構在設計、施工及檢驗方面都有別于普通的民用建筑，世界其他核電強國均有一套完整的核電標準，而國內還沒有與核安全相關的鋼結構設計、施工及檢驗的國家標準。
其次，施工工藝與質量控制方面的問題同樣不容忽視。核電鋼結構因其特殊的使用環境與嚴格的安全標準，對焊接、防腐、無損檢測等施工環節的技術要求極高。現有的施工技術和裝備在面對大型、異型、厚板焊接等復雜作業時，會出現效率低、質量不穩定等問題。因此，如何進一步提升施工精度、優化施工流程、減少人為因素影響，成為推動核電鋼結構技術進步的重要環節。
再次，核電鋼結構的防腐問題也十分重要。核電站一般位于遠離人口稠密地區的江河、海邊，因此外部一般設備、廠房等腐蝕環境基本屬于腐蝕等級較高的臨水(海水、淡水)條件。核電運行后，設備使用周期長，這些對核電及相關系統鋼結構等的防風、防腐、防潮性能，安全可靠性，工作效率等提出了十分苛刻的要求。核電站必須采用特殊的重防腐涂料涂裝，才能滿足長期防腐的要求。同時，核島內適用涂層必須具有一定的耐溫性、抗輻照老化性。
最后，核電站全壽命周期內的維護與管理，即安全性及耐久性評估亦面臨一定難題。由于核電設施長期處于高輻射環境下運行，鋼結構在服役過程中的老化、腐蝕以及可能產生的缺陷會對其安全性構成潛在威脅。因此，建立和完善針對核電鋼結構的智能監測系統和高效維護策略，對于確保核電站的安全穩定運行具有重要意義。
展望未來，核電鋼結構技術將朝著更加智能化、輕量化、綠色化方向發展。一方面，新材料的應用如耐蝕、耐高溫、高強度鋼材的研發，有望提高核電鋼結構的綜合性能;另一方面，數字化建造技術、先進的檢測與監控手段以及基于大數據和人工智能的運維模式，都將極大地推動核電鋼結構技術水平的躍升。與此同時，強化國際合作，借鑒并引進國外先進經驗和技術成果，也將加速我國核電鋼結構技術的自主創新進程。
總的來說，盡管核電鋼結構技術在發展中面臨著上述諸多挑戰，但伴隨著科技的不斷進步和創新研究的深入，有理由相信這些問題將逐一得到解決，從而為實現核電產業的可持續發展奠定堅實基礎。同時，面向未來，核電鋼結構技術將在保障能源安全、推進綠色發展等方面發揮更為關鍵的作用，展現出廣闊的應用前景。
5 結論與討論
對核電鋼結構技術發展的全面梳理和深入剖析后，可以得出結論：當前核電鋼結構技術在世界范圍內的發展已經取得了顯著的進步，其在保障核電站安全穩定運行、提升建設效率以及延長設施壽命等方面起到了關鍵性作用。從過去幾十年的發展歷程來看，無論是材料科學、設計理論還是制造工藝，均實現了創新突破，尤其是在高強度鋼材的研發與應用、抗震設計優化以及預制化施工技術等方面，都展現出了核電鋼結構技術的強大生命力和發展潛力。
然而，盡管已取得諸多成就，但仍需清醒地認識到核電鋼結構技術在前進道路上面臨的一系列挑戰。首要問題在于極端環境下材料性能的保持與優化，如何確保鋼材在長期高劑量輻射環境下維持足夠的機械性能與耐腐蝕性是亟待解決的關鍵技術難題。同時，隨著新型反應堆設計和技術路線的不斷涌現，如小型模塊化反應堆(SMR)和第四代反應堆等，對核電鋼結構的設計理念與制造方式提出了全新的要求，特別是在緊湊性、模塊化和快速建造方面的需求尤為突出。
展望未來，核電鋼結構技術有望在數字化設計、智能制造、新材料研發等方面迎來新的發展機遇。通過深度融合信息技術與傳統工程技術，實現核電鋼結構全生命周期的智能化管理，將大大提高核電站的安全性與經濟性。此外，隨著綠色低碳轉型的推進，核能作為清潔高效的基荷電源，在全球能源結構中的地位將進一步提升，這無疑將推動核電鋼結構技術向更高效、更環保的方向持續演進。
綜合上述分析可以預見到，核電鋼結構技術的發展方向將著重于提高結構的可靠性和耐用性，強化適應新型反應堆設計需求的技術創新能力，并積極應對環境友好型材料的應用研究。同時，加強國際合作，共享科研成果，共同應對關鍵技術挑戰，將有助于在全球范圍內推動核電鋼結構技術的整體進步，進而更好地服務于清潔能源產業的發展，為構建可持續發展的能源體系提供堅實的技術支撐。
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