1980—2024年核电钢结构技术的显著进步与未来发展挑战

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摘 要

在全球核能的运用里，核电钢结构技术处于核心位置，它的发展进程历经了从轻水堆结构在早期的情况，到如今三代甚至四代核电技术中有先进的应用的地步。从1980一 2024年这段时间以来，核电钢结构技术有着明显的进步，其设计理念从单纯的安全性朝着安全性与经济性这两重上面进行优化转变，材料科学、制造工艺、施工技术连续不断地创新。高强度的钢材、耐腐蚀的材料被应用起来，还有数字化、自动化技术相互融合，这提高了核电钢结构的安全性与经济性。然而，极端环境之下，材料性能的保持面临挑战，施工工艺与质量控制面临挑战，防腐问题面临挑战，全寿命周期内的维护管理也面临挑战。未来，核电钢结构技术会朝着智能化方向发展，核电钢结构技术会朝着轻量化方向发展，核电钢结构技术会朝着绿色化方向发展。新材料研发将成为关键，数字化建造技术将成为关键，国际合作也将成为关键。通过应对这些挑战，核电钢结构技术有希望为实现核电产业的可持续发展，提供坚实支撑。

0  引言

在现代能源结构里面，核电属于一种高效、稳定以及低碳的能源种类。其安全且高效地运行，对核电站关键构筑物之一的核电钢结构有着技术要求的关联。核电钢结构体系里，包含了反应堆安全壳、钢内衬、内部设备支撑系统、吊车梁以及环吊等多种复杂结构。这些结构共同组成了核电站坚固耐用的基础骨架，并且承担着极端工况下的力学负荷，从而保障了核电设施的安全稳定运行。图1展示的，是核电站反应堆结构体系的一种典型结构示意。

图 1 核电站反应堆结构

核电钢结构技术在核电领域有着相当关键的作用，首先，其突出的承重性能，以及耐高温、高压的特性，是保证核电站长久安全运行的核心因素，特别是在处理潜在事故风险之际，高水准的钢结构能有力防止放射性物质泄漏，保障环境安全，其次，伴随第三代、第四代核电技术的研发与运用，对核电钢结构的设计、制造、安装精度给出了更高要求，进一步促使相关技术实现创新与发展。再者，核电建设周期长，核电投资大，优化核电钢结构设计，这不仅能够提升核电站的整体效能，而且还能显著降低建设成本以及运维成本，进而提高核电产业的经济效益以及社会效益。

回望过去，核电在未来，钢结构技术应用前景十分广阔，因随全球对清洁能源需求增加，以及核安全标准不断提升，核电钢结构技术面临更多，更严苛挑战，像更强抗震设计，更优防腐蚀方案，更精准制造安装工艺等，同时新材料研发，和先进制造技术应用，比如说高强度钢材，三维打印技术等，给核电钢结构技术发展带来新机遇 。

1  核电钢结构的发展概述

核电钢结构技术，是一种关键的工程技术，于全球核能利用领域，扮演着不可或缺的角色，自20世纪中叶，核电站建设起步后，其钢结构的设计、制造，与应用研究，逐步深入，且不断拓展，从早期的轻水堆结构设计，到当前三代乃至四代核电技术中的先进钢结构应用，科研人员在全球范围内，进行了广泛而深入的研究探索。

在美国核电钢结构技术研发领域，法国、日本等等一同回顾研究历程，这其中位于领先地位之处，是于材料性能的提升方面，更在于关于抗震各项设计、耐久性研究内容和为了预防腐蚀所存在技术之上经验，以及成果非常丰富，比如美国西屋公司，进行AP1000核电项目时，采用了创新钢制安全壳，结构采用了其关于整体之上安全性，以及可靠性设计，效果显著。并且在欧洲，EPR也就是欧洲压水反应堆等新型反应堆的设计当中，高强度钢材以及先进焊接技术有着得到广泛地应用的情况，这有效地提升了核电设施的使用寿命以及安全性。于国内而言，我国核电钢结构技术研究同样历经了这样一个过程，即从引进开始，接着进行消化吸收，最终实现自主创新。秦山核电站建设起始之后，我国科研团队针对国内特殊的地质情形与环境要素，于核电钢结构的设计理论跟方法方面，取得了醒目突破，在高性能钢材的研发以及应用方面，也夺得显著进展，在结构健康监测与维护技术领域，同样有非凡成就。比如说，华龙一号核电技术成功研发并得以应用，国核一号核电技术成功研发并得以应用，这意味着我国在核电钢结构设计与制造层面，已然抵达国际先进水准。

借助对国内外相关研究成果展开梳理以及进行分析之后 从中发现核电钢结构技术正朝着高性能方向快速发展 朝着长寿命趋势疾行 朝着智能化形态迈进 新材料的研发以及应用致使核电钢结构拥有愈高的强度 再有更是具备更强的韧性 进而能够于更为严苛的环境里面稳定运行 与此同时 凭借现代计算模拟技术以及健康监测系统 能够达成对钢结构实现实时状态评估 并且能够做到准确的维护管理 极大程度地提升了核电设施的安全系数 以及经济效益 。

综上所述，核电钢结构技术已然取得显著进步，然而随着核电技术朝着更高安全标准与经济性目标迈进，后续研发工作仍得聚焦于新材料研发，以及极端条件下结构性能的维持，还有全生命周期的健康管理等前沿课题。经由持续深入研究并借鉴国际成功经验，我国核电钢结构技术在未来有望持续保持强劲发展态势，为推进清洁能源战略、保障国家能源安全给予有力支撑。

2  1980—2010 年间核电钢结构的发展概述

在1980年至2010年这30年的时间跨度里，全球范畴内核电钢结构技术的发展进程发生了显著的演进变化，出现了革新情况。随着世界范围内对于清洁能源需求的持续增长，以及核能技术的持续接连不断进步，核电站的建设规模呈现出上升态势，数量也表现出上升状况，并且作为核电站基础设施核心组成部分的钢结构技术也跟着随之进入了一个全新的发展阶段 。

在此期间，核电钢结构设计理念有转变，从单一安全性朝安全性与经济性双重优化转变，设计院开始留意结构轻量化与模块化设计，通过采用高强度钢材以及先进焊接工艺，达成了更大跨度、更高强度且更为紧凑的钢结构体系，有效提高了核电站整体建设和运行效率。

同时，在材料科学领域，研究者们针对核电环境的特殊要求，展开研发工作，研发出一系列钢材，这类钢材高性能，并且耐腐蚀、抗辐照损伤，之后，研究者们还对其在长期服役条件下的性能稳定性，进行了深入研究。比如，我国秦山核电站的部分设施，采用了不锈钢和低合金高强度钢，这两种钢材具有优良耐蚀特性，进而确保了钢结构在复杂环境下长期安全稳定运行。

核电钢结构制造技术有显著提升，施工技术同样如此。引入自动化生产线，采用精确控制的装配工艺，大幅提高了钢结构构件制造精度和质量，还缩短了建设周期。此外，针对核电站特殊施工环境与安全标准，创新出一系列高效现场安装技术，像整体吊装法、预组装技术等，让核电站钢结构工程实施更高效、精准。

这一时期核电钢结构主要应用在如下领域。

2. 1 安全壳钢衬里

针对防止放射性介质往环境中出现泄漏的情况，于安全壳内壁那儿所设置打造的钢制密封结构当中，涵盖有底板、筒体、穹顶等一系列相关的附件，钢衬里结构呈现出如图 2 这样子的情况。

图 2 钢衬里结构 mm

有一种部件名为穹顶钢衬里，它是最大的单体部件，质量达到 300 多吨，直径 40 多米，是由壁厚 6 毫米的钢板焊接制作成的，其背部呈现出网络状分布，是由角钢、锚固钉以及锚固件所构成。安全壳穹顶钢衬里的拼装过程，还有安装完成的情况，具体如图 3、4 所示。

图 3 安全壳穹顶钢衬里拼装

图 4 安全壳穹顶钢内衬结构

2. 2 壳内钢结构

壳内部结构包含钢结构设备运输钢平台，还有内部结构环形钢平台，以及压力容器顶盖，另外设有存放支架设备检修平台，还有钢制吊车梁等。安全壳内部，整体结构以及内部支撑结构，如图5、6所示。

图 5 安全壳内部结构  m

图 6 安全壳内部支撑结构

然而，在这一阶段内，取得了许多突破性进展，可是，面对越来越严格的核电安全标准，以及环保要求情况下，核电钢结构的设计面临一系列挑战，其材料选择也面临一系列挑战，施工方法同样面临一系列挑战，怎么样进一步提高钢结构的耐久性与适应性，以及怎样实现更加绿色低碳的制造过程等，这些问题都成了推动该领域持续创新的动力源泉。

总体而言，在1980年至2010年的这三十年当中，核电钢结构技术于全球范畴之内达成了从理论探究至实际运用的飞跃样式的进展，不但在工程技术层面抵达了新的水准，与此同时还为后续的技术提升以及创新进步筑牢了坚实根基。

3  2010—2024  年间核电钢结构发展情况

2010年起，全球对清洁能源需求持续增长，核电技术研发不断深入，核电钢结构技术显著进步发展，此时期，材料科学革新升级，设计理论革新升级，制造工艺革新升级，施工技术革新升级，核电站钢结构设计与建设展现全新面貌。

以涉及方面探讨，运用有限元分析这类先进计算办法，核电该钢结构设计达成了精细化以及优化，工程师们能够更为精准地模拟复杂应力情形之下的结构表现，切实提升了结构的安全裕度并且压低了用钢量，与此同时，模块化设计理念渐渐被广泛运用于核电站钢结构的设计里头，借由把大型结构分解成可独立制造与组装的模块单元，极大程度提高了施工效率以及工程质量。

在材料科学范畴内此阶段核电钢结构发展有一大亮点是高性能钢材出现研发与应用情况比如针对核反应堆压力容器和安全壳等关键部位研发出新型钢材这种钢材具备更高耐蚀性抗疲劳性以及良好焊接性能从而确保核电设施在严苛工况下能长期稳定运行 。

对于制造以及施工技术而言，数字化技术与自动化技术及智能化技术相互融合进行创新，给核电钢结构的制造还有安装予以极有力的支撑，三维建模这一先进技术得以应用，机器人焊接这一先进技术得以应用，无损检测这一先进技术得以应用，不但提升了制造精度，并且提升了施工质量，还缩短了工期，降低了施工成本。

在此期间，世界各个国家，纷纷去推进新一代核电技术，朝着研发和应用的方向发展，像中国的国核一号，还有美国的AP1000等型号机组，其里面的核心部件，比如说安全壳，以及堆芯吊篮等，都采用了最新的核电钢结构技术成果 。

这一时期核电钢结构主要应用于如下领域。

3. 1 钢制安全壳

当前，第三代核电机组当中，国核一号这一型号机组，以及美国的AP1000等型号机组，其内层安全壳采用的是完全钢结构壳体，结构示意情况如图7所示。

图 7 钢制安全壳

钢制安全壳，是超大型圆柱形钢制容器，它带有上下椭圆封头，直径大概40m ，高大概66m ，钢质安全壳底封头如图8 所示 。其壳体最厚处厚47.6mm ，主体焊缝长度约3400m ，总质量大约3600t ，工作压力为407kPa ，工作温度在 -21℃至149℃之间 。

钢制安全壳主体材质是SA738 -Gr. B，那是低合金调质高强度钢，为确保钢板有高强度、高韧性需求，材料运用了复杂合金系统，淬硬性强，而且板材厚度厚。

钢制安全壳组装工程有变化，原本全部零件板是在核岛的条件下完成组装，通过单片吊装施工方法，现在不同了，采用“搭积木”方式，先在距离核岛有几公里远的组装场地，把零件板进行组合，组装成大型模块组件，这个组件直径大概约 40 m，最高差不多约 15.5 m，它包含 1 个椭圆形底封头，还有 1 个顶封头以及 4 个圆柱形筒体，单个模块组件最大质量大约是 800 t，之后把这些大型模块组件整体运输前往核岛附近；在此基础上，利用专用的超大型起重设备，将其吊装到安装位置来完成安装，最终是为实现钢制安全壳组装与核岛安装多场地平行施工。钢质安全壳的上方封头，进行运输、吊装以及安装就位，其下方封头同样进行运输、吊装以及安装就位，情况如图 9 至 13 所示。

图 9 钢制安全壳底封头运输

图 10 钢制安全壳顶封头运输

图 11 钢制安全壳底封头吊装

图 12 钢制安全壳环吊装就位

图 13 钢制安全壳顶封头吊装就位

3. 2 钢板-混凝土组合结构（SC 结构)

现今第三代核电机组之中的国核一号，和美国的 AP1000 等型号机组。其反应堆厂房内部结构，主要运用大型钢板 - 混凝土组合结构，也就是 SC 结构。大型钢板 - 混凝土组合结构模块，乃一种钢板置于外部，且采用钢桁架连接，内部填充素混凝土的新型组合结构。它具备承载能力高的优点，具备抗震性能好的优点，具备施工便捷的优点，还具备施工周期短等优点。典型的钢板混凝土墙体模块，以及钢板模块，还有钢板 - 混凝土组合结构，如图 14 ~ 16 所示。

1— 栓钉;2— 角钢;3— 槽钢;4— 钢面板。

图 14 典型钢板混凝土墙体模块

图 15 SC 中的钢板模块

图 16 钢板-混凝土组合结构

3. 3 其他典型钢结构

布置有重型吊车吊车梁的燃料厂房及其他常规厂房，还设有单轨吊车梁，有屋盖钢梁与压型钢板组合结构，还有钢平台等，常规厂房如图 17 所示。

图 17 常规厂房

在福岛核事故等重大事件引发全球关注的情况下，核电钢结构的防护措施得以不断提升完善，安全标准也持续发展进步。像增设多重冗余的安全屏障系统，强化抗震、抗冲击能力的设计，提升极端环境下可靠性和耐用性等方面的研究实践，于这一时期均得到深化拓展。

整体而言，在2010年至2024年这个时间段内 ，核电钢结构技术于全球范畴历经了迅速且稳固的发展 ，在技术创新方面取得了重要突破 ，在工程实践方面取得了重要突破 ，在安全保障方面也取得了重要突破 ，为核电行业朝着更为高效 、更加安全 、愈发可持续的方向发展奠定了坚实根基 。尽管面临着诸多挑战 ，但能够预见到的是 ，伴随科技水平的不断跃升 ，未来的核电钢结构技术将会在保障能源安全 、推动低碳经济发展过程中发挥更为关键的作用 。

4  现存问题及展望

发展至今的核电钢结构技术，在保障核能安全高效利用这方面扮演十分关键重要的角色可是持续提升的工程技术水平，以及不断扩大的核电站建设规模，让一些现存逐渐显现的问题，对未来发展趋势产生深远影响 。

首先，从设计理论层面来讲，核电钢结构于应对极端环境之时，在力学行为预测以及安全性评估方面，依旧存在着一定的挑战，目前，虽说已有的计算模型和方法在常规条件下，能够满足设计需求，然而在地震、高温、高压等极端工况之下，结构材料性能退化机理复杂，并且难以精确模拟，这对核电钢结构的设计提出了更高要求，同时，新型高性能钢材的研发与应用尚未完全满足核电设施长寿命、高可靠性的特殊需求，这也是当前亟待解决的关键问题之一。

核岛钢结构含有钢衬里，含有钢制安全壳，含有不锈钢覆面，含有特种门，含有特殊钢结构，含有钢板墙结构等。当下设建造标准除去ASME，除去RCCM，除去AWE外，还有俄罗斯ROCT标准，还有EN欧标，其中的EN又含287和988，还有ETC-C规范 ，还有GB 19869，还有NB / T 47015等。

核电厂的钢结构，在设计方面有别于普通民用建筑，在施工方面有别于普通民用建筑，在检验方面有别于普通民用建筑，世界上其他核电强国，均有一套完整的核电标准，然而国内，还没有与核安全相关的钢结构设计国家标准，还没有与核安全相关的钢结构施工国家标准，还没有与核安全相关的钢结构检验国家标准。

其次，施工工艺方面存在问题，质量控制方面的问题同样不能被忽视。核电钢结构，因其有着特殊的使用环境，有着严格的安全标准，对焊接施工环节的技术要求极高，对防腐施工环节的技术要求极高，对无损检测施工环节的技术要求极高。现有的施工技术，在面对大型焊接作业时，会出现效率低、质量不稳定等问题，现有的施工装备，在面对异型厚板焊接等复杂作业时，会出现效率低、质量不稳定等问题。因此，怎样进一步提升施工精度，如何优化施工流程，怎样减少人为因素的影响，成为推动核电钢结构技术进步的重要环节。

再次，核电钢结构面对的防腐问题相当关键，核电站通常处在离人口极为集中度高之区域较为远之江河旁、海岸边，故而外部普通设备、厂房这类周边腐蚀相关环境大体属腐蚀层级较高那种临近有水（海水、咸淡水这一区别）状况之下。核电启动运行之后，设备实际利用寿命时间段较长，这些切切实实针对核电与关联系统钢结构等的防范强风冲击、防止腐蚀以及防止受潮这类性能，安全方面具备的能否稳定可靠，工作时所能达到的效率等提出了极为严格苛刻的要求。核电站不得不运用特殊的具备重防腐功效涂料进行涂抹，才能够达成长期防腐所需要求。与此同一时期，核岛内适用涂层一定得拥有某种耐对高温适应特质、抵抗辐照导致老化有关性能

最后，核电站全寿命周期里的维护跟管理，也就意味着安全性以及耐久性评估同样有着 certain 难的问题，因为核电设施常年处在高辐射环境当中运行 ，钢结构在服役期间会有老化 ，还会腐蚀 ，并且可能出现一些缺陷 ，这些会对其本身的安全形成潜在的威胁 ，所以 ，构建以及完善针对核电钢结构的 intelligence 监管系统以及 efficient 维护策略 ，对于保障核电站的安全稳定运行来说有着 crucial importance。

对于展望中未来的情景而言，有着这样的情况发展，核电钢结构相应有关的技术届时将会依据特别的趋向进行变化，这个向着特别方向的情形是指朝着更加智能化、显得更容易轻量化、体现出更具特色绿色化方向行进推移发展。在这一发展过程之中，存在着这样一个层面的情况，新材料的应用呈现出多元化的态势，像耐蚀、可承受更高温度、具备高强度钢材的研发等情况，这些情况有着这样的期望，即有望提高核电钢结构所具备的综合性能。另外，在这一方面，还存在着另外一个层面的情况，数字化建造技术、拥有先进特性的检测与监控手段以及基于大数据和人工智能的运维模式，这些情况都对于核电钢结构本身技术水平有着极大的推动作用，能够促使其出现向上跃升的状况。与此同时这件事情，在这个过程当中，有着强化国际合作这样的行为进行，通过这样的行为，借鉴并且引进国外先进的经验和技术成果等，就会出现这样的结果，加速我国核电钢结构技术的自主创新进程 。

总的来讲，虽说核电钢结构技术于其发展之时遭遇到了上述的众多挑战，然而，随着科学技术的持续进步以及有关创新研究环节上更加深入，我们有理由去相信，这些问题将会一个一个得到处理，进而为达成核电产业的可持续发展筑牢坚实根基。与此同时，面向未来，核电钢结构技术会于保障能源安全、落实推进绿色发展等方面发挥更为至关重要的作用，呈现出广阔的应用前景。

5   结论与讨论

经过对核电钢结构技术发展进行全而周到的梳理，以及进行深入细致的剖析之后，能够得出相应结论，当下核电钢结构技术在全球范畴之内的发展已然取得显赫进步，它在确保核电站安全平稳运行，还有提升建设效率，并延长设施寿命等方面发挥了关键作用，从过去几十年的发展进程来讲，不论针对材料科学 ，还是设计理论或者制造工艺，均达成了创新突破，特别是高强度钢材的研究与运用过程中，还有抗震设计的优化以及预制化施工技术等方面，均呈现出核电钢结构技术强大的生命力以及发展潜力 。

但是，即便已收获众多成果，还是得清楚意识到核电钢结构技术在前行途中遇到的一连串挑战。首要的状况是在极端环境里材料性能的维持与优化，怎么样保证钢材在长久高剂量辐射环境中保持足够的机械性能以及耐腐蚀性是急需去解决的关键技术困惑。与此同时，那些新型反应堆设计以及技术路线持续不断地涌现出来，像是小型模块化反应堆，也就是SMR，还有第四代反应堆等，这就给核电钢结构的设计理念以及制造方式提出了全新的要求，特别是在紧凑性方面，在模块化方面，在快速建造方面的需求格外突出。

面向未来，核电钢结构技术有希望于数字化设计、智能制造、新材料研发等层面迎接新发展契机，凭借信息技术与传统工程技术深度融合，达成核电钢结构全生命周期智能化管理，会大幅提升核电站安全性与经济性，另外跟绿色低碳转型推进相伴，核能作为清洁高效基荷电源，在全球能源结构里地位会进一步上升，如此必然推动核电钢结构技术朝着更高效、更环保方向持续发展 。

综合上述分析能够预见到，核电钢结构技术的发展方向会着重于提升结构的可靠性以及耐用性，强化适应新型反应堆设计需求的技术创新能力，并且积极应对环境友好型材料的应用研究。与此同时，加强国际合作，共享科研成果，共同应对关键技术挑战，这将有助于在全球范围之中推动核电钢结构技术的整体进步，进而能够更好地服务于清洁能源产业的发展，为构建可持续发展的能源体系提供坚实的技术支撑。