王恺晴，梁弘毅，刘肖
中国核动力研究设计院，成都，610213
摘要：反应堆压力容器是堆内最大且全寿期不可更换的安全I级部件，作为一回路冷却剂的承压边界，不仅承载着动载荷和温度载荷，还包容着强放射性的反应堆堆芯，压力容器的完整性决定了反应堆的安全、可靠运行。本文概述了RPV材料的脆化现象，介绍了RPV辐照监督和脆化评价方法。
关键词：反应堆压力容器；脆化现象；辐照监督；脆化评价
1 引言
作为堆内最大且全寿期不可更换的安全I级部件，反应堆压力容器（RPV）的完整性决定了反应堆的安全、可靠运行，其服役寿命也决定了核电站的使用年限。RPV材料具有低温脆性的固有特性，为了防止其发生脆性断裂，确保反应堆的安全运行，有必要对RPV开展辐照监督和脆化评价工作。本文概括叙述了RPV材料的脆化现象，简要介绍了RPV辐照监督和脆化评价方法。
2 RPV材料的脆化现象
RPV用钢为低合金铁素体钢，具有适当的强度和较好的断裂韧性，以及良好的焊接性能和抗辐照性能。此外，低温脆性也是此类钢的固有特性，即低于某温度时，材料韧性会发生断崖式突降现象，堆内辐照环境又加剧了材料的降质，即发生韧性陡降现象的温度升高、韧性可达最大值降低，谓之“辐照脆化”，辐照脆化导致材料的加速降质会显著增大RPV的破裂风险。RPV的脆性断裂是爆炸性破坏，一旦发生则是灾难性事故，因此，开展RPV辐照监督工作、科学评价RPV脆化程度，对于确保反应堆的安全运行具有重要意义。
3 RPV辐照监督
开展RPV辐照监督工作，掌握其性能数据和辐照损伤发展趋势，是对RPV进行防脆断评价的重要前提条件[[[] 孙海涛.压水堆核电厂反应堆压力容器辐照脆化评价与监督[J].核安全，2010(3):17-21.]]。常用的辐照监督方法是在RPV内壁辐照通量最大区域放置数根监督管，监督管长约为1.5m，直径约为50mm，上、下部分别装有顶部端塞和底部端塞，在中间区域放置样品和测量盒。根据RPV辐照监督大纲中的相关规定，需按照一定时间间隔取出监督管进行测试，以获得堆内辐照剂量数据和材料辐照性能数据，进而对RPV用钢进行脆化程度评价，以此不断验证、修订反应堆运行参数，同时也为核电站的延寿提供基础支撑数据[[[] 杜清良.反应堆压力容器辐照监督[J].科技视界，2018：44-45.]-[[] 李海旺.反应堆压力容器辐照监督的研究[J].科技创新与应用，2015，24:118.]]。
4 RPV脆化评价方法
断裂韧性是材料脆化研究中的关键参数，准确表征材料的断裂韧性对于RPV脆化评价来说十分重要[[[] 李承亮，邓小云.压水堆核电站反应堆压力容器钢断裂韧性研究进展[J].材料导报，2013,27(s1):169-173.]]。目前，RPV用钢的脆化评价方法主要分为转变温度法和断裂力学法。
4.1 转变温度法
由于RPV材料的韧性性能具有较大的温度敏感性，找到断裂韧性与温度之间的关系是防脆断设计中的关键所在。转变温度法即为选择某一温度作为参量间接衡量材料的断裂韧性，该方法旨在保证RPV材料处于韧性状态的防脆断要求。
美国机械工程师协会（ASME）定义了参考无塑性转变温度RTNDT作为防脆断的评判依据，并提出了以下测定方法和规定：（1）先由落锤试验测得无塑性转变温度NDT，在NDT+33℃的温度下进行夏比冲击试验（一组三个试样），当三个试样的冲断功均≥68J，且侧膨胀值均≥0.89mm时，确认NDT即为RTNDT；（2）当不满足上述条件时，在高于NDT+33℃的温度下作补充试验，每组试验提高5℃，直到三个试样均满足上述要求的温度TCV为止，此时RTNDT=TCV-33℃。
采用夏比冲击试验作为低温脆性断裂判据是建立在广泛工程应用经验之上的，其基本方法是对材料低温失效进行分析，在此基础上根据结果对冲击韧性提出最基本的要求。然而，材料性能与化学成分、加工工艺、组织形态等都有很大关系，即使韧性相同的材料，它们对应的强度也可能相差很大，故仅凭一个参数来确定材料的韧脆转变温度难以避免偶然性。因此，须通过更加直接的方法来表征材料的断裂韧性。
4.2 断裂力学法
国际上，早在1921年Griffith[[[] A A.Griffith.The Phenomena of Rupture and Flow in Solids.Philosophical Transactions of the Royal Society of London,1921,221(2):163-198.]]研究玻璃断裂的问题时，通过对脆性材料的研究，从能量的角度建立了应力强度与裂纹尺寸间，提出了能量释放率准则，为断裂力学的发展奠定了基础。随着断裂力学的发展，根据线弹性断裂力学理论，在RPV脆化评价中引入了应力强度因子KI的概念，并在材料韧性评定指标中定义了断裂韧性KIC，即在准静态的加载条件下裂纹起裂时的应力强度因子KI的临界值，用于表征材料抵抗脆性断裂的能力。KIC是衡量RPV存在裂纹情况下材料性能的新指标，也是判断RPV存在裂纹情况下是否会发生低应力脆断的新判据，当KI<KIC时，材料不会发生脆性断裂，反之则发生脆断。
若直接通过试验来获得KIC，则需要试样满足大尺寸的线弹性平面应变条件，这对材料的制造、加工以及试验操作等带来了很大困难。然而，堆内空间十分宝贵，辐照监督试样的尺寸越小，越能收集到更多的性能数据，进而可更准确地掌握RPV的脆化程度。可见，线弹性断裂力学评价方法存在试样尺寸大与辐照监督空间有限的矛盾。为了解决这样的矛盾，随着弹塑性断裂力学的发展，20世纪80年代末发展的主曲线法为研究上述矛盾与问题提供了新的研究思路。
主曲线法建立在弹塑性断裂力学J积分衍生出的临界应力强度因子KJC基础上，通过小试样JIC试验和Weibull统计模型来表征材料断裂韧性，该方法定义了一个新的指标参数——参考温度T0，且可用统计分析的方法求得断裂韧性概率分布。主曲线法的理论基础最早由芬兰VTT的K. Wallin[[[] Wallin K. The Master Curve method : A new concept for brittle fracture [J].International Journal of Materials and Product , 1994,14(2/3/4):342-354.]]等提出：认为所有铁素体钢的断裂韧性和温度的关系，都具有相同形状的KJC(med)(T-T0)曲线，随着辐照注量的增加，曲线会沿横轴（温度）平移，且可用T0的变化来表征材料断裂韧性的变化。
5 结论
从反应堆的安全运行、老化管理及延寿等需求考虑，开展RPV辐照监督和脆化评价工作具有重要意义。
对于RPV脆化评价方法，转变温度法的概念最早被ASME标准采纳，虽具有广泛的试验基础和应用经验，但缺乏理论基础，且仅能确保RPV材料处于非脆性状态，无法准确评估RPV脆化程度，保守性较大。断裂力学法可直接获得材料的断裂韧性，充分利用了RPV材料性能数据，为改进辐照监督大纲打开了空间，降低了传统评价方法中的保守性，提高了评价结果的准确性。