钍基熔盐堆及核电站用钢详细分析报告

钍基熔盐堆及核电站用钢详细分析报告

1 钍基熔盐堆概述

第四代核能系统代表了核能技术发展的前沿方向，其中钍基熔盐堆由于利用资源丰富且价格较低的钍作为核燃料，成为全球第四代核电技术的一个主攻方向。钍基熔盐堆相比传统核反应堆具有更好的经济性、安全性、可持续性及防核扩散性，能够有效解决世界核能发展面临的核废料处理和铀资源短缺两大难题。2011年，中国科学院启动了"未来先进核裂变能-钍基熔盐堆核能系统（TMSR）"战略性先导科技专项，设定了明确的发展目标：2015年建成2MW熔盐试验堆；2016-2020年建成10MW熔盐中试堆；2020-2030年建成100MW工业示范堆。

我国钍基熔盐堆技术已取得重大突破。近日，我国首台套具有自主知识产权的2MWt液态燃料钍基熔盐实验堆（TMSR-LF1）核能系统首次成功实现堆内核燃料转换，这一里程碑事件标志着我国在先进核能技术领域取得了全球瞩目的成就，使我国成为目前全球唯一运行并实现钍燃料入堆的熔盐堆。钍基熔盐堆由于工作环境特殊，其结构材料需要承受高温、强腐蚀及中子辐照的极端条件，对材料性能提出了极为严苛的要求，这也催生了对特种钢材和高温合金的研发需求。

2 核电站关键设备用钢详细分析

2.1 安全容器及支撑结构用钢

在核电站建设中，安全容器及支撑结构是保障核电站安全运行的基础，这些部件通常需要采用高强度调质钢以承受反应堆容器、蒸汽发生器等设备的静载荷与地震载荷。钍基熔盐堆的安全容器对材料提出了更高要求，需要同时满足高强度、高韧性与优异焊接性能，并能适应60年设计寿命的长期考验。

SA517Gr.B钢是美标ASME SA-517/SA-517M标准体系下的核电用高强度调质钢，具有优异的力学性能组合：屈服强度达620-930MPa，抗拉强度达725-930MPa，同时保持良好的塑性（断后伸长率≥14%）、低温冲击韧性（AKV≥21J）及焊接性能。该材料化学成分以碳（0.10-0.20%）、锰（0.70-1.00%）、铬（0.40-0.65%）为主，采用淬火加回火（QT）工艺生产，符合核电设备对材料抗辐射、耐高温高压环境的特殊要求。SA517Gr.B主要应用于核电站机械模块支撑件、压力容器、稳压器等关键构件制造。

SA738Gr.B钢是另一种广泛应用于第四代核电钍基熔盐堆安全容器的特种钢材。2020年，华菱湘钢成功研发出适用于钍基熔盐堆安全容器的SA738Gr.B钢板，最大厚度达到150mm，满足了熔盐堆对安全容器材料的特殊要求。经过设备制造厂及中科院专家对钢板各项复杂、严苛的力学性能检测以及无损检测，其各项质量指标均优于标准要求。湘钢为满足熔盐堆60年设计寿命需求，创新开发了超纯净钢冶炼、控轧控冷等工艺技术，使钢板在熔盐堆极端工况下兼具高强度、高韧性与优异焊接性能，综合性能指标全面优于设计要求。

2.2 回路系统及核心部件用高温合金

回路系统及核心部件直接接触高温熔盐，服役环境异常苛刻，需要材料具有优异的耐高温腐蚀性能、抗蠕变性能和耐中子辐照性能。以GH3535为代表的镍基高温合金由于以镍为基体，并含有15%以上钼以及少量的铬，在高温熔盐环境中具有良好的耐蚀性能以及机械性能，成为熔盐堆关键部件的首选材料。

GH3535合金（UNS N10003）是专门为钍基熔盐堆研发的关键结构材料，这款合金必须能承受反应堆内部高温、强腐蚀及中子辐照的极端条件，生产难度极大，其制备技术是决定项目成败的关键。自2011年起，抚顺特钢便前瞻性地与中国科学院上海应用物理研究所、中国科学院金属研究所组成了"产学研"联合攻关团队，共同研发钍基熔盐堆用GH3535合金。在攻关过程中，抚顺特钢项目团队克服了多品种、小批量、规格杂、工艺流程复杂、技术管理和质量保障难度大等诸多困难，成功实现了GH3535合金材料的国产化与工程化。

经过十余年的技术沉淀与持续改进，抚顺特钢在GH3535合金制备方面取得了显著成就：在初期的TMSR-SFO仿真堆建设中，抚顺特钢提供了100%的GH3535合金材料；在后续的TMSR-LF1实验堆项目中，抚顺特钢提供了95%以上的GH3535合金材料。这些高品质材料被广泛应用于熔盐堆主容器、换热器、泵和主管道等核心部件的制造，产品形态覆盖板、棒、丝、带、管、锻件等全品类。2017年7月，抚顺特钢还成功研发了GH3535高温合金丝材，其产品质量达标，性能指标优于技术条件要求。

2.3 燃料组件与堆内构件用钢

燃料组件与堆内构件是核反应堆的核心组成部分，需要在中子辐照、高温和应力共同作用下保持结构完整性和稳定性。这些部件通常采用镍基高温合金和特种不锈钢制造，以满足极端环境下的性能要求。

在核电站中，燃料组件、控制棒驱动机构和堆内构件广泛使用多种高性能合金材料，包括：GH4169（又名Inconel 718或NC19FeNb）、NC15Fe（GH3600）、NC15FeTNbA（GH4145或X750）、GH2132（A286）、GH605（HS-25）和GH690等。这些材料具有优良的高温强度、抗辐照肿胀性能和应力腐蚀开裂抗力，能满足核电站长期安全运行的要求。

对于不锈钢部件，核电站常采用Z2CN19-10NS、Z6CND17-12、Z2CND18-12NS、321(0Cr18Ni10Ti)等牌号的不锈钢，用于制造堆内构件；使用0Cr19Ni9、0Cr17Ni12Mo2、0Cr25Ni20、X10CrNi18-8、X6CrNiCu17-04、0Cr17Ni7Al和0Cr13、1Cr13等材料制造控制棒驱动机构；而燃料组件则主要采用0Cr18Ni10Ti不锈钢。

3 核电站用钢技术发展与应用前景

3.1 高温合金国产化与标准制定

高温合金国产化是我国第四代核电技术发展的关键环节。抚顺特钢在GH3535合金材料冶炼和锻件国产化、工程化方面所展现出的镍基合金工艺开发能力、技术水平，达到了国内特钢行业的较高水准。上海应用物理研究所与抚顺特钢的合作多年，双方的密切沟通与交流有力地推动了耐高温熔盐腐蚀镍基合金的制备和加工工艺开发，为TMSR-LF1项目工程建设奠定了坚实基础。目前，抚顺特钢与该所的合作已进入全新阶段，正紧密围绕钍基熔盐堆的扩大化、商业化应用展开联合技术攻关，将重点开发更大重量和尺寸的GH3535合金材料构件，为下一步建设大功率钍基熔盐堆再立新功。

标准制定工作对于规范材料生产和使用至关重要。国内目前正在积极制定关于熔盐堆高温合金管材的相关标准。全国钢标准化技术委员会已启动了《熔盐堆用高温合金无缝管》国家标准的制定工作，由浙江久立特材科技股份有限公司、中国科学院上海应用物理研究所、冶金工业信息标准研究院共同起草。这一标准将适用于熔盐堆高温合金无缝管，包括回路系统管道、外套管以及小口径换热管等，规定熔盐堆高温合金无缝管的术语和定义、分类及代号、化学成分、尺寸、重量及允许偏差、技术要求、试验方法、检验规则、包装、标志、质量证明书、运输和贮存。预计到2020年熔盐堆高温合金无缝管材的需求量将达到500吨以上，标准的制定将完善该类管材的标准体系，规范产品的生产和使用，提升最终管材的产品质量。

3.2 钢材性能提升与工艺创新

钢材性能提升是核电站用钢技术发展的核心方向。以SA517Gr.B钢为例，2024年专利CN112126861A针对CAP1400核电机组需求进行了多项改进：通过技术革新，将模焊态-18℃冲击功由21J提升至47J，显著提升了材料的低温韧性；同时优化了高温强度，使360℃下抗拉强度稳定≥795MPa；在工艺方面，采用连铸动态轻压下技术，使中心偏析≤C类1.0级。这些技术创新不断推动核电用钢性能向更高水平发展。

制造工艺创新对保障核电用钢质量至关重要。SA517Gr.B钢的生产流程包含多个关键工艺控制点：在冶炼阶段，采用转炉+LF精炼+真空脱气三重净化，将气体含量控制在[H]≤2ppm、[O]≤20ppm；在轧制工艺中，实施控轧控冷（TMCP），终轧温度控制在850±20℃，保证奥氏体再结晶充分；热处理环节则采用淬火温度880-920℃，回火温度620-680℃，以获得回火索氏体组织。这些先进的制造工艺确保了核电用钢具有稳定且优异的质量性能。

质量控制技术是核电用钢安全可靠的保障。核电用钢执行专项检测标准，包括：超声波探伤按EN 10160标准进行S3E4级检测，确保内部缺陷≤φ2mm当量；力学性能验证要求每批次进行高温（360℃）拉伸试验，要求抗拉强度≥795MPa；金相检验要求晶粒度≥7级，非金属夹杂物总和≤1.5级。这些严格的质量控制措施确保了核电用钢在极端工况下的安全可靠性。

4 总结与应用展望

本报告系统梳理了钍基熔盐堆及核电站用钢的具体情况，重点介绍了安全容器用钢（SA517Gr.B、SA738Gr.B）、回路系统用高温合金（GH3535）以及燃料组件与堆内构件用合金材料（GH4169、GH4145等）的具体钢号、性能特点及应用范围。

随着我国首台套具有自主知识产权的2MWt液态燃料钍基熔盐实验堆（TMSR-LF1）成功实现堆内核燃料转换，以及未来10MW熔盐中试堆和100MW工业示范堆的建设规划，钍基熔盐堆用钢将迎来更广阔的发展前景。GH3535合金的应用市场前景广阔，预计到2020年熔盐堆高温合金无缝管材的需求量将达到500吨以上。与此同时，安全容器用钢的需求也将随着钍基熔盐堆规模的扩大而增长，对材料的性能要求也将不断提高。

我国钢铁企业，如抚顺特钢、湘钢等，在核电用钢领域已展现出较强的研发能力和技术实力，实现了从材料进口替代到领先创新的跨越。随着第四代核电技术的不断成熟和商业化推广，核电用钢将继续向更高性能、更长寿命和更优经济性的方向发展，为我国抢占核能科技制高点提供坚实支撑。

钍基熔盐堆

核电站用钢

SA517Gr.B

SA738Gr.B

GH3535

高温合金

核电用钢

第四代核能

核反应堆材料

特种钢材

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