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乏燃料的中子账：贮存格架里的硼铝复合板与临界安全边界

中国能源产业发展网发布时间：

2026-11-13 08:45

【中国能源产业发展网】原创【作者】马行川

核电站乏燃料水池的水面是平的，看上去什么都没有发生。真正在发生的事情藏在水下几米处的那些方孔里——用过的燃料组件插在格架中，中子在组件之间来回穿行，工程师要做的是让它们走不出那一段距离。

刚出堆的燃料组件仍然发热，也仍然发射中子。自发裂变与锕系核素带来的中子源强度会随冷却时间下降，但在相当长的一段时期内，贮存系统必须被证明处在次临界状态。早年电站采用稀疏贮存，靠组件之间足够的间距与池水慢化把有效增殖因子压在限值以下；机组数量增加后，同样的水池要装更多组件，间距被压缩，水的中子慢化作用反而成了负担，此时只能把吸收材料插进格架结构里，替代水去吃掉多余的热中子。

吸收材料的选择余地并不大。含硼不锈钢结构强度好，但硼含量受限、加工性一般；含硼聚乙烯屏蔽能力够，承载能力不足；铝基碳化硼走的是另一条路——把碳化硼颗粒弥散进铝基体，材料既能承力又能吸收中子。这条路的麻烦在于界面：硼吸收热中子后生成锂与氦，材料内部会积累气体，长期辐照下出现肿胀与性能退化，因此对致密度与硼分布均匀性的要求近乎苛刻。局部硼偏聚意味着局部吸收不足，临界安全计算的保守假设会被现实打穿。

国内已有工程化样本。中国科学院金属研究所推出的铝基碳化硼中子吸收材料公开指标显示，碳化硼质量分数可在百分之十五到四十之间调整，材料致密度达到百分之百，颗粒分布均匀性控制在正负零点二个百分点，搅拌摩擦焊接头强度系数不低于百分之九十五，单锭最大两到三吨，可提供锻件、挤压材、板材与焊接构件，最长四千五百毫米、最薄两毫米。据该项目的公开推介，其焊接筒已用于石岛湾高温气冷堆核燃料元件的贮存和运输容器，大尺寸板材用于“龙舟”乏燃料运输容器，工程样板通过加速辐照、加速腐蚀、高温老化与硼均匀性检测等验证考核。

从材料到格架，中间是一整套制造工序。格架由中子吸收板与钢板拼装焊接而成，贮存管制备、吸收板下料、机加工、组焊、清洗、插拔试验一环扣一环。焊接是其中最敏感的一步：熔焊的热输入会让碳化硼与铝基体的界面生成脆性相，也会在焊缝区留下气孔，于是固相连接的搅拌摩擦焊成了主流工艺，靠摩擦热让材料达到塑性状态后挤出成形，避免熔池带来的组织劣化。

设计校核的边界条件比制造更复杂。临界安全计算要考虑新鲜组件与燃耗信用两类假设，前者保守但会压缩贮存容量，后者依赖对燃料历史的中子学核算，需要完整的运行数据链。地震工况同样进入设计输入——格架在地震中若发生倾斜或相互挤压，组件间距缩小，反应性随之上升，所以格架要有足够的刚度与限位装置，抗震分析要给出变形量的上限，而不是只算结构是否破坏。

运行端的工作则是把设计假设维持住。池水的氯离子与酸碱度要控制，防止不锈钢点蚀与应力腐蚀；硼浓度要在线监测，补水与净化系统的运行记录要与临界安全分析的假设对得上；格架吊装、组件倒换之后，水下电视检查要确认没有异物、没有变形。这些动作看起来琐碎，却决定了那张临界安全分析报告在二十年后是否仍然成立。

国产化的账要分开算。吸收板与焊接筒这一层，材料端已经能交出可验证的样品并进入工程应用；格架总装与运输容器这一层，考核的是批量一致性与检测能力，硼均匀性检测、超声与射线探伤、插拔试验的节拍决定了交付速度。乏燃料贮存不像新建机组那样有明确的投产节点，它的需求分散在每一次换料、每一次转运里，供应链的稳定性比单次订单的价格更重要。

把视角拉回水池。乏燃料贮存的技术账，说到底是在一组几何关系里做减法：减去水的中子慢化、减去硼的局部偏聚、减去地震带来的间距变化，剩下的才是可以为安全审评接受的裕量。这个行业没有多少戏剧性的突破，它的进步体现在检测报告更细、材料更均匀、变形更可控。等到哪天密集贮存的格架能在水下安静地装满足量的组件，那才算这项技术真正落了地。

乏燃料的出路不止水池一处。组件在池内冷却若干年、衰变热降到可以被空气带走之后，会转入干式贮存：金属或混凝土容器内部充入惰性气体，靠自然对流与辐射换热把余热带出，容器外壁温度被控制在可接受范围。干式贮存的临界安全不依赖水，靠的是容器内部的固定中子吸收体与几何布置，这也把吸收板的另一个应用场景带了出来——它不只服务于水池格架，也服务于运输容器与干贮模块。

检测能力是这条链上的隐形瓶颈。碳化硼颗粒在铝基体中的分布，靠常规金相观察只能抽查局部，工程上需要热中子透射成像一类的手段做面分布评价；焊接接头的致密性依赖超声与射线，而铝基复合材料对射线的衰减特性与钢不同，工艺参数要重新标定。检测方法不成熟，材料的批次放行就只能靠加严抽样，成本与周期双双上升。这也是国内材料端从样品走向稳定供货时普遍要补的一课。

把材料放回产业链看，它还有一层被低估的价值：可设计性。铝基碳化硼可以通过调整碳化硼含量来匹配不同的中子能谱与贮存方案，也可以做成板材、挤压型材或异形构件，给格架与容器的结构设计留出空间。相比只能整块采购的铸造或轧制产品，这种可设计性让设计方能在临界安全、结构强度与重量之间重新分配余量，而不是被材料规格反向约束。

运输环节的工况更极端。装载乏燃料的容器要证明在正常运输与事故条件下都能维持次临界、保持屏蔽完整、散出余热，撞击、火烧、浸水都属于设计基准。国内“龙舟”乏燃料运输容器采用大尺寸铝基碳化硼板材作为中子吸收结构，正是把材料端的均匀性与构件的承载能力同时押上试验台。这类容器的研制周期长，因为它需要一次性通过全部工况验证，没有中期修正的机会。

（来源：中国科学院金属研究所、福建省创新研究院、新华财经）

【研究支持机构：《中国工业报社》能源与双碳研究中心 |中国能源产业发展网】

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马行川