中國(guó)核工業(yè)已近60年，已經(jīng)設(shè)計(jì)與建造了生產(chǎn)堆、研究堆和核潛艇動(dòng)力堆等。各工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家為解決人類(lèi)未來(lái)能源正在對(duì)核聚變反應(yīng)堆的開(kāi)發(fā)進(jìn)行大量的研究工作。
在核工業(yè)中鋁及鋁合金主要用作低、中溫水堆（石墨水生產(chǎn)堆、實(shí)驗(yàn)研究水堆及某些重水實(shí)驗(yàn)堆）燃料元件的包殼、工藝管、輔助管道及其他結(jié)構(gòu)材料等。工業(yè)純鋁在溫度為100℃~130℃的水冷反應(yīng)堆中得到廣泛的應(yīng)用。
反應(yīng)堆鋁材應(yīng)具備的特性
鋁材之所以在反應(yīng)堆中得到廣泛應(yīng)用，除了它具有眾所周知的優(yōu)良性能外，在核工程性能方面還有一些特異的性能：對(duì)熱中子的吸收截面小，為0.22×10-24cm2，僅比鈹、鎂、鋯的大一些，而比其他金屬的小得多，因此，鋁是性價(jià)比優(yōu)秀的上等材料；輻照感應(yīng)放射能衰減快，高純鋁在停止輻照后一周內(nèi)，放射能就急劇下降；反應(yīng)堆壁濺蝕小，在175℃以下耐輻照，輻照損失小，空穴率低。
在反應(yīng)堆中，作為熱交換介質(zhì)的水所引起的腐蝕比常規(guī)熱電站中的嚴(yán)重得多。一般說(shuō)來(lái)，鋁材在50℃以下的水中發(fā)生點(diǎn)蝕，在50℃~250℃水中以均勻腐蝕為主，在300℃以上水中則發(fā)生晶間腐蝕。
實(shí)踐證明：選用耐點(diǎn)蝕的鋁合金；提高鋁合金純度，以免產(chǎn)生陽(yáng)級(jí)性的夾雜物；提高堆用水純度，嚴(yán)格控制水中有害離子含量都是提高鋁材耐點(diǎn)蝕的有效措施。此外，對(duì)鋁材進(jìn)行陽(yáng)極氧化處理也能提高其對(duì)點(diǎn)蝕的抵抗能力，不過(guò)水的溫度不能高于100℃，否則效果不佳。
作為元件包殼或工藝管的鋁材，在加工、運(yùn)輸與安裝過(guò)程中，其表面都不可避免地會(huì)產(chǎn)生種種避部損傷，如劃痕、碰傷、氧化膜缺陷等，它們加速陰極去極化反應(yīng)，也易使電位比鋁的更正的重金屬在此處沉積，從而加速鋁陰極的離子溶解作用，加速腐蝕。但只要損傷深度不超過(guò)一定值（低溫水堆用的鋁材的容許安全值為0.15mm~0.30mm），不會(huì)引起異常的加速腐蝕，在低溫水堆的特定條件下，可安全使用。
1965年以前中國(guó)所需的工藝管全部從蘇聯(lián)引進(jìn)，1958年哈爾濱鋁加工廠（現(xiàn)在的東北輕合金有限責(zé)任公司）開(kāi)始二期項(xiàng)目建設(shè)，其中有工藝管車(chē)間，有成磁療的軋管、精整、陽(yáng)極氧化設(shè)備，原為蘇聯(lián)緩建項(xiàng)目，后由于蘇聯(lián)中止援助，中途一度停建，爾后自力更生建設(shè)，1965年才建成投產(chǎn)，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力50t/a。1966年生產(chǎn)工藝管4934根，33t，管的外徑43mm，內(nèi)徑41mm，當(dāng)時(shí)的合金牌號(hào)為L(zhǎng)T24。后來(lái)又在西北鋁加工廠建了一個(gè)工藝管車(chē)間，所以現(xiàn)在中國(guó)可生產(chǎn)工藝管的企業(yè)有2個(gè)。
在中溫水中，鋁主要發(fā)生均勻腐蝕。因此，水中的離子對(duì)其腐蝕的影響不像低溫時(shí)那樣顯著與敏感，而合金成分、晶粒大小與組織狀態(tài)卻起著較大的作用。在6xxx系合金中，最好不存在過(guò)剩的Si相。向合金中同時(shí)加入Fe及Ni（0.3%~0.4%），并使其質(zhì)量比為1，以形成氫超電壓較低的Al9FeNi相，可提高合金的抗腐蝕性。因?yàn)橛蠥l9FeNi相存在時(shí)，氫可以從其質(zhì)點(diǎn)處逸出，鋁基地不會(huì)產(chǎn)生陰極反應(yīng)。
在高于130℃的動(dòng)水中，陽(yáng)極化膜易剝落，不耐腐蝕，但預(yù)生氧化膜（材料使用前，將其置于一定溫度的高純靜水中一定的時(shí)間所形成氧化膜）可提高合金的抗中、高溫動(dòng)水腐蝕的能力。
對(duì)堆用鋁材危害最大的是晶間腐蝕，是由晶界區(qū)和晶?；w之間的電位差引起的。因此，凡能降低這種電位差的措施都能提高合金抗晶間腐蝕的能力。
防止鋁材晶間腐蝕極有效的措施是向鋁中添加一定量的Fe與Ni，使之形成氫超電壓較低的陰極相Al3Fe、Al3Ni與Al9FeNi等。這就是中、高溫堆用鋁材大都含有一定量的Ni與Fe的緣故。向Al-Mg-Si合金添加一定量的Cu也能提高合金抗晶間腐蝕的能力。
合金的晶粒越細(xì)，抗晶間腐蝕的能力也相應(yīng)地提高一些，熱處理?xiàng)l件也對(duì)合金晶間腐蝕有明顯影響。高溫退火往往使呈陰極的第二相沿晶界沉淀與使晶粒長(zhǎng)大，增加合金的晶間腐蝕敏感性。
大家知道，金屬材料的晶粒越細(xì)，組織越均勻，抗蝕性也越高，所以往往向鋁合金中添加微量的晶粒細(xì)化元素。但是對(duì)反應(yīng)堆鋁合金來(lái)說(shuō)，應(yīng)考慮數(shù)量元素的熱中子吸收截面，例如天然硼的熱中子吸收截面為755×10-24cm2，而B(niǎo)10的卻高達(dá)3800×10-24cm2，含硼的合金及純硼是很好的屏蔽材料與控制材料，但對(duì)非屏弊材料來(lái)說(shuō)，卻是一個(gè)有害元素，應(yīng)嚴(yán)加控制。美國(guó)鋁業(yè)協(xié)會(huì)及材料試驗(yàn)學(xué)會(huì)（ASTM）規(guī)定8001合金的B含量不得大于0.001%。
鋯的熱中子吸收截面相當(dāng)小，只有0.18×10-24cm2，鈦的為5.6×10-24cm2，鉻的為2.9×10-24cm2，可作為反應(yīng)堆鋁材的微量添加元素。
反應(yīng)堆鋁材
反應(yīng)堆鋁材可分為兩種：溫度在130℃以下的低溫堆用元件包殼及結(jié)構(gòu)材料，主要是工業(yè)純鋁1100與6063合金；使用溫度不超過(guò)400℃的中溫堆用材料，如Al-Ni-Fe系、Al-Si-Ni系合金，其中典型的是美國(guó)的8001合金。
在美國(guó)廣泛采用工業(yè)純鋁1100（質(zhì)量%：0.05~0.20Cu、0.05Mn、0.10Zn、0.95Si+Fe，其他雜質(zhì)單個(gè)0.05、總計(jì)0.15，99.00Al），蘇聯(lián)及俄羅斯采用Al-Mg-Si系合金CAB-1（0.45%~0.90%Mg、0.7%~1.2%Si，其余為Al與不可避免雜質(zhì)）作為壓水型反應(yīng)堆MP、BBP-M等的結(jié)構(gòu)材料及工藝管材料。但這些材料的最高工作溫度為130℃，如溫度更高，則需用其他鋁材。
工作溫度為130℃~400℃的鋁合金有：中國(guó)的306合金（約含7%Si與0.65%Ni，其余為Al及不可避免雜質(zhì)），它的熱中子吸收截面小，對(duì)中、高溫水有高的抗蝕性，有相當(dāng)好的室溫及同溫力學(xué)性能，加工成形性優(yōu)秀，可作管狀元件及板狀元件的包殼材料。
國(guó)外采用鋁－硅－鎳合金作為元件的包殼材料，在高溫水中有良好的抗蝕性。后一個(gè)合金在260℃~300℃水中的抗蝕性比8001合金的高。
在某些情況下，如果作為屏蔽材料的混凝土的質(zhì)量與體積不能滿足要求，或不便使用時(shí)，則除水以外，還可以用一種名為“波拉爾（Boral）”的鋁板作為屏蔽，它是一種含有碳化硼（B4C）的復(fù)合鋁合金，因?yàn)樗辛己玫闹凶游招阅?，在其表面包覆一?100工藝純鋁。
核聚變鋁材
當(dāng)前，一些國(guó)家為了解決人類(lèi)未來(lái)能源問(wèn)題，還在開(kāi)發(fā)核聚變反應(yīng)堆，其中美國(guó)的成就最突出，2010年11月20日被譽(yù)為“人造太陽(yáng)”（核聚變?cè)囼?yàn)堆）的美國(guó)國(guó)家點(diǎn)火裝置（NIF）開(kāi)始點(diǎn)火運(yùn)轉(zhuǎn)，產(chǎn)生6×106 °F的高溫，相當(dāng)于恒星或大行星核心溫度，達(dá)到了核聚變所需的溫度。
核聚變反應(yīng)堆是將氘（D）和氚(T)產(chǎn)生的高溫等離子體封閉起來(lái)，進(jìn)行核聚變反應(yīng)，反應(yīng)堆應(yīng)該用放射能衰減快的、停堆后短時(shí)間人可以接近的、殘余放射能小的材料的制成。鋁合金是一種低感應(yīng)放射能材料，是一種較為理想的熱核反應(yīng)堆材料。
熱核反應(yīng)堆材料除要求感應(yīng)方式能小外，在120℃還應(yīng)有相當(dāng)高的強(qiáng)度。由于磁場(chǎng)作用會(huì)產(chǎn)生渦流，鋁合金的電阻應(yīng)大一些，還應(yīng)有良好的成形性能、加工性能、真空性能與導(dǎo)熱性。
研究表明，殘余感應(yīng)放射能低的材料是C、SiC與純鋁，但C及SiC的加工成形性能差，不易加工大的構(gòu)件，現(xiàn)在日本的R計(jì)劃、國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)的INTOR項(xiàng)目和美國(guó)的STARFIRE核聚變反應(yīng)堆的研究都把鋁合金作為研發(fā)的首要材料。
在元素周期中，對(duì)14.1MeV中子引起的感應(yīng)放射能低的元素只有Li、Be、C、Mg、Al等。因此，核聚變反應(yīng)堆鋁材的研究開(kāi)發(fā)對(duì)象無(wú)疑當(dāng)是以高純鋁為基礎(chǔ)的Al-Mg-Si系、Al-Mg 系、Al-Si系、Al-V系、Al-V-Si系、Al-Mg-V系、Al-Mg-Li系合金及燒結(jié)鋁合金（SAP）。在這類(lèi)材料中，應(yīng)嚴(yán)格控制鋁合金的常用合金元素Fe、Cu、Cr等的含量。
據(jù)美國(guó)國(guó)家點(diǎn)火裝置的官員估計(jì)，使用核聚變反應(yīng)堆的發(fā)電站將于2020年開(kāi)始運(yùn)行，到2050年將有25%的美國(guó)民用能源由核聚變提供。海水中有的是氘，1gal海水可提供相當(dāng)于300gal汽油產(chǎn)生的能量，50gal海水所產(chǎn)生的能量相當(dāng)于2t煤的。核聚變很環(huán)保，大規(guī)模應(yīng)用后，可以少使用化石燃料，從而大大降低溫室氣體排放。一旦我們掌握了核聚變發(fā)電技術(shù)，我們的子孫后代將享受到科技發(fā)展帶來(lái)的飛躍，能源短缺的時(shí)代將一去不復(fù)返，鋁在迎接這個(gè)時(shí)代的到來(lái)將發(fā)揮重要的作用。
