春节档上映的《流浪地球2》再度引爆了全网对科幻的热潮，说到电影中最震撼人心的瞬间，莫过于全球数万台行星发动机一齐运作，推动地球踏上流浪之旅的过程。虽然目前的科技水平离影片中可控核重聚变的构想仍有差距，但核能无疑是能提供高产能、高稳定性的重要战略资源，当下核工程常用的金属材料可分为碳钢、低合金钢、不锈钢、锆合金、钛铝合金和镍基合金等。本文将主要科普镍基高温合金、奥氏体不锈钢、核电级锆三类材料。

一、镍基高温合金

2022年10月19日，中核集团核工业西南物理研究院科研团队在新一代可靠核聚变设备"人造太阳"（HL-2M）科学研究上取得重大突破，等离子体电流突破100万安培，创造了我国可控核聚变装置运行新记录，标志着我国核聚变研发距离聚变点火迈进了重要一步。

真空室是HL-2M装置的主要部件之一，采用“D”形截面的双层-薄壁-全焊接式结构、外壳体壁厚都为5mm,薄壁结构使得真空室有足够高的环向电阻。HL-2M真空室对材料的选择和制造质量要求主要从结构强度、材料特性、气密性方面来考虑。真空室是薄壁结构，壳体和支撑材料要有较高的综合力学性能,能承受自身及内部件重力、大气压力、热负载、电磁力等。为了有利于初始室内气体击穿和等离子体初始电流的形成，以及外部快反馈控制的实现,真空室壳体材料需要有高电阻率和低磁导率(u <1.04)。超高真空环境要求材料要具有低出气率，焊接后具有良好的气密性。

从工程设计、物理需求和经济性方面综合考虑,HL-2M真空室材料选用Inconel 625、Inconel 718和316L组合形式。Inconel 625具有良好的结构强度和较高的电阻率，作为主体材料用于内外壳体、筋板和方形窗口;圆形窗口的管道和法兰采用316L奥氏体不锈钢;而支撑结构部件因受力集中并要承受瞬时电动冲击力,因此选用了强度更高Inconel718合金。除Inconel 625和718以外，600、X-750、825、690等高性能镍基合金，也在核电装置中发挥着各自的贡献。

二、奥氏体不锈钢

核电站大多建在沿海地区，海水空气湿度大，盐分含量高，而氯离子是不锈钢腐蚀的主要诱因之一。为了保证核电厂通风净化系统的安全，可以采用奥氏体不锈钢，它们常温和低温下有良好韧性、塑性、焊接性和抗腐蚀性，具有抵抗化学腐蚀和电化学腐蚀能力。 

在核电压水堆核电站中，不锈钢为堆芯结构、堆内构件、一回路冷却循环系统的主要品种，如反应堆压力容器中的CRDM管座法兰、蒸汽发生器一次侧管嘴安全端、安注箱的上下封头、稳压器中的波动管接管嘴安全端等，核电站常用的不锈钢有304、304L、和316L。

304L不锈钢是含碳量比较低的304不锈钢的变种，用于需要焊接的场合。较低的含碳量使得在靠近焊缝的热影响区中所析出的碳化物减至最少，而碳化物的析出可能导致不锈钢在某些环境产生晶间腐蚀。因此304L不锈钢的抗晶间腐蚀的能力优于304不锈钢。

316L不锈钢中添加的钼可以提高钝化膜的稳定性。它具有优秀的耐点蚀性和耐晶间腐蚀性，还具有良好的耐氯化物侵蚀的性能，在海洋环境或侵蚀性工业大气中的抗腐蚀能力大大地优于304不锈钢和304L不锈钢。从抗腐蚀性能上来说316L不锈钢>304L不锈钢。

此外，316L根据冶炼工艺的不同还可分为316LV和316L双V等级，可用于半导体等对纯净度有要求的领域，欢迎您致电咨询。

三、核电级锆合金

所以核安全的首道防线就是核的包复材料---包壳管，由它担负着防止核泄露的重要任务。同时，包壳管又是处在核反应堆中工况最差的环境当中。它面临核燃料，承受着高温、高压和强烈的中子辐照，以及耐高硼水腐蚀、耐应力腐蚀和耐反应产物碘蒸汽腐蚀的严峻考验。

在众多核材料中，锆及锆合金因具有热中子截面吸收率低，密度和热膨胀系数小，且在高温高压的苛刻的环境下还具有良好力学性能和抗腐蚀性能的显著优势，被广泛应用于核工业和化工行业。依据锆中铪的含量，锆及锆合金分为核级锆和工业级锆产品，其中铪含量小于100μg/g为核级锆，而锆和铪总含量在95.2%~99.5%之间为工业级锆。目前主要采用的锆材核能级牌号为Zr-0、Zr-2、Zr-4，分别对应于美标ASME的R60001、R60802、R60804。

材料科学的探索之路虽然任重道远，但在代代科学人员的努力下，也许有一天，我们能见证电影中的可控核重聚变、太空电梯用的超抗拉材料以及数字生命等如雨后春笋般诞生。那时，科幻与生活将不再遥远。

参考文献： 

冉红，曹增，蔡立君.HL-2M真空室设计与分析[A] .2014

韩宁宁，顾剑锋.核电用Inconel 600的蠕变行为[A] .2016

吴恋恋，张乐福，潘向烽.核电厂蒸汽发生管材800合金与690合金应力腐蚀性能[A]. 2014

袁改焕，李恒羽，王德华.锆材在核电站应用与及前景[A]. 2007