核电钢结构技术在全球核能利用中占据核心地位，其发展历程经历了从早期的轻水堆结构到当前三代乃至四代核电技术的先进应用。1980— 2024 年间，核电钢结构技术显著进步，设计理念从单一安全性向安全性与经济性双重优化转变，材料科学、制造工艺及施工技术不断创新。高强度钢材、耐腐蚀材料的应用，以及数字化、自动化技术的融合，提升了核电钢结构的安全性与经济性。然而，极端环境下材料性能的保持、施工工艺与质量控制、防腐问题及全寿命周期内的维护管理仍面临挑战。未来，核电钢结构技术将朝着智能化、轻量化、绿色化方向发展，新材料研发、数字化建造技术及国际合作将成为关键。通过应对挑战，核电钢结构技术有望为实现核电产业的可持续发展提供坚实支撑。
0 引言
在现代能源结构中，核电作为一种高效、稳定且低碳的能源形式[1] ，其安全高效的运行离不开核电站关键构筑物之一——核电钢结构的技术支持。核电钢结构体系涵盖了反应堆安全壳、钢内衬、内部设备支撑系统、吊车梁及环吊等多种复杂结构[2] ，它们共同构成了核电站坚固耐用的基础骨架，并承载着极端工况下的力学负荷，确保了核电设施的安全稳定运行。图 1 为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具有十分重要的作用[3] 。首先，其卓越的承重性能和耐高温、高压特性是保障核电站长期安全运行的核心要素，尤其是在应对潜在事故风险时，高质量的钢结构能有效防止放射性物质泄露，确保环境安全[4] 。其次，随着第三代、第四代核电技术的研发与应用，对核电钢结构的设计、制造、安装精度提出了更高要求，进一步推动了相关技术的创新与发展。再者，由于核电建设周期长、投资大，优化核电钢结构设计不仅可以提升核电站的整体效能[5] ，还能显著降低建设和运维成本，从而提高核电产业的经济效益和社会效益。
展望未来，核电钢结构技术的应用前景广阔。随着全球对清洁能源需求的增长以及对核安全标准的持续提升，核电钢结构技术将面临更加严苛的挑战，如更强的抗震设计、更优的防腐蚀方案、更精准的制造安装工艺等。同时，新材料的研发和先进制造技术的应用，如高强度钢材、3D 打印技术等，也为核电钢结构技术的发展带来了新的机遇。
1 核电钢结构的发展概述
核电钢结构技术作为一种关键的工程技术，在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以来，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。
回顾研究历程，美国、法国、日本等在核电钢结构技术研发方面处于领先地位，尤其在材料性能提升、抗震设计、耐久性研究以及防腐蚀技术等方面积累了丰富的经验和成果。例如，美国西屋公司在 AP1000 核电项目中采用了创新的钢制安全壳结构设计，显著提升了结构整体的安全性和可靠性。而在欧洲，EPR(European Pressurized Reactor)等新型反应堆的设计也广泛应用了高强度钢材和先进的焊接技术，有效提高了核电设施的使用寿命和安全性。在国内，我国的核电钢结构技术研究同样经历了从引进、消化吸收到自主创新的过程。自秦山核电站建设以来，我国科研团队针对国内特殊的地质条件和环境因素，在核电钢结构的设计理论与方法、高性能钢材的研发与应用[6-12] 、结构健康监测[13]与维护技术等方面取得了显著突破。例如，华龙一号和国核一号核电技术的成功研发与应用，标志着我国在核电钢结构设计与制造方面已达到国际先进水平。
通过对国内外相关研究成果的梳理与分析，发现核电钢结构技术正朝着高性能、长寿命、智能化的方向快速发展。新材料的研发与应用使得核电钢结构具有更高的强度和韧性[14-20]，能够在更严苛的环境下稳定运行;同时，借助现代计算模拟技术和健康监测系统，能够实现对钢结构实时、准确的状态评估与维护管理，极大地提高了核电设施的安全系数与经济效益。
综上所述，尽管核电钢结构技术已经取得了显著的进步，但随着核电技术向更高安全标准和经济性的目标迈进，未来的研发工作仍需关注于新材料的研发[21-24]、极端条件下结构性能的保持、以及全生命周期的健康管理等前沿课题。通过持续深化研究并借鉴国际成功经验，我国核电钢结构技术有望在未来继续保持强劲的发展势头，为推进清洁能源战略、保障国家能源安全提供有力支撑。
2 1980—2010 年间核电钢结构的发展概述
在 1980—2010 年这 30 年时间内，全球范围内核电钢结构技术的发展经历了显著的演进与革新。随着世界范围内对清洁能源需求的增长以及核能技术的不断进步，核电站的建设规模和数量均呈现出上升态势，而作为核电站基础设施核心组成部分的钢结构技术也随之迈入了一个全新的发展阶段。
在此期间，核电钢结构的设计理念从单一的安全性向安全性与经济性的双重优化转变。设计院开始注重结构轻量化和模块化设计，通过采用高强度钢材和先进的焊接工艺，实现了更大跨度、更高强度且更为紧凑的钢结构体系，有效提升了核电站的整体建设和运行效率。
同时，在材料科学方面，研究者们针对核电环境下的特殊要求，研发了一系列耐腐蚀、抗辐照损伤的高性能钢材，并对其在长期服役条件下的性能稳定性进行了深入研究[25-30] 。如我国秦山核电站的部分设施就采用了具有优良耐蚀特性的不锈钢和低合金高强度钢，确保了钢结构在复杂环境下长期安全稳定运行。
核电钢结构的制造技术和施工技术也得到了显著提升。通过引入自动化生产线和精确控制的装配工艺，大幅提高了钢结构构件的制造精度和质量[31-32]，缩短了建设周期。此外，针对核电站特殊的施工环境和安全标准，创新出了一系列高效的现场安装技术，比如整体吊装法、预组装技术等，使得核电站钢结构工程的实施更加高效、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
为防止放射性介质向环境泄漏，在安全壳内壁上设置的钢制密封结构，包含底板、筒体、穹顶等相关附件。钢衬里结构如图 2 所示。
图 2 钢衬里结构 mm
其中穹顶钢衬里为最大的单体部件，质量达 300 多吨，直径 40 多米，由壁厚为 6 mm 的钢板焊接而成，其背部分布显现为网络状，由角钢、锚固钉和锚固件组成。安全壳穹顶钢衬里拼装过程及安装完成如图 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
壳内部结构有钢结构设备运输钢平台、内部结构环形钢平台、压力容器顶盖、存放支架设备检修平台、钢制吊车梁等。安全壳内部整体结构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，尽管这一阶段取得了诸多突破性进展，但面对日益严格的核电安全标准和环保要求，核电钢结构的设计、材料选择和施工方法仍面临一系列挑战，如何进一步提高钢结构的耐久性和适应性，以及如何实现更为绿色、低碳的制造过程等，这些问题都成为了推动该领域持续创新的动力源泉。
总的来看，1980—2010 年这三十年间，核电钢结构技术在全球范围内实现了从理论研究到实际应用的飞跃式发展，不仅在工程技术层面达到了新的高度，同时也为后续的技术升级和创新发展奠定了坚实基础。
3 2010—2024 年间核电钢结构发展情况
自 2010 年以来，随着全球对清洁能源需求的不断增长以及核电技术研发的持续深入，核电钢结构技术取得了显著的进步与发展。这一时期，由于材料科学、设计理论、制造工艺和施工技术的革新升级[33-36]，核电站钢结构的设计与建设展现出全新的面貌。
在设计方面，采用有限元分析等先进计算方法[37]，核电钢结构设计实现了精细化与优化。工程师们能够更精确地模拟复杂应力状态下的结构行为，有效提升了结构的安全裕度并降低了用钢量。同时，模块化设计理念逐渐被广泛应用到核电站钢结构的设计中，通过将大型结构分解为可独立制造和组装的模块单元，极大地提高了施工效率和工程质量。
在材料科学方面，高性能钢材的研发与应用成为此阶段核电钢结构发展的一大亮点[38]。例如，针对核反应堆压力容器和安全壳等关键部位，研发出具有更高耐蚀性、抗疲劳性和良好焊接性能的新型钢材，确保了核电设施在严苛工况下的长期稳定运行。
在制造和施工技术方面，数字化、自动化和智能化技术的融合创新为核电钢结构的制造与安装提供了强有力的支持。三维建模、机器人焊接、无损检测等先进技术的应用，不仅提高了制造精度和施工质量，而且缩短了工期，降低了施工成本。
在此期间，世界各国纷纷推进新一代核电技术的研发和应用，如中国的国核一号和美国的 AP1000等型号机组，其核心部件如安全壳、堆芯吊篮等均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
目前第三代核电机组——国核一号和美国的 AP1000 等型号机组内层安全壳采用完全钢结构壳体，结构示意如图 7 所示。
图 7 钢制安全壳
钢制安全壳是带上、下椭圆封头的超大型圆柱形钢制容器，直径约 40 m，高约 66 m，钢质安全壳底封头如图 8 所示。壳体最大厚度 47.6 mm，主体焊缝长 约 3 400 m，总 质 量 约 3 600 t，工 作 压 力 407 kPa，工作温度-21 ~ 149 ℃ 。
钢制安全壳主体材质为 SA738 -Gr. B，属于低合金调质高强度钢，为保证钢板的高强度、高韧性要求，材料采用了复杂的合金系统，淬硬性大，且板材厚度大[39-40]。
钢制安全壳组装工程改变了原有全部零件板在核岛完成组装的单片吊装施工方法，采用“ 搭积木”的方式，首先在距离核岛几公里的组装场地将零件板组装成直径约 40 m、最高约 15.5 m 的大型模块组件，包括 1 个椭圆形的底封头、1 个顶封头和 4 个圆柱形筒体，单个模块组件最大质量约 800 t，然后将这些大型模块组件整体运输到核岛附近，利用专用的超大型起重设备吊装到安装位置完成安装，实现钢制安全壳组装与核岛安装多场地平行施工。钢质安全壳上、下封头运输、吊装及安装就位如图 9 ~ 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)
目前第三代核电机组———国核一号和美国的 AP1000 等型号机组反应堆厂房内部结构主要采用大型钢板-混凝土组合结构(SC 结构)。大型钢板-混凝土组合结构模块是一种钢板外置并采用钢桁架连接内填素混凝土的新型组合结构，具有承载能力高、抗震性能好、施工便捷以及施工周期短等优点。典型的钢板混凝土墙体模块、钢板模块以及钢板-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
燃料厂房及其他常规厂房还布置有重型吊车吊车梁、单轨吊车梁、屋盖钢梁与压型钢板组合结构以及钢平台等。常规厂房如图 17 所示。
图 17 常规厂房
面对福岛核事故等重大事件引发的全球关注，核电钢结构的安全标准和防护措施也在不断提升和完善。如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，以及提升极端环境下的可靠性和耐用性等方面的研究与实践，都在这一时期得到了深化和发展。
总体来说，2010—2024 年间，核电钢结构技术在全球范围内历经了快速而稳健的发展，在技术创新、工程实践和安全保障等方面都取得了重要突破，为核电行业向更加高效、安全、可持续的方向发展奠定了坚实的基础。尽管面临诸多挑战，但可以预见的是，随着科技水平的持续跃升，未来的核电钢结构技术将会在保障能源安全、推动低碳经济发展中发挥更为重要的作用。
4 现存问题及展望
核电钢结构技术发展至今，在保障核能安全高效利用方面发挥了至关重要的作用。然而，随着工程技术水平的不断提升和核电站建设规模的不断扩大，现存的一些问题也逐渐显现，并对未来发展趋势产生深远影响。
首先，从设计理论层面看，核电钢结构在应对极端环境下的力学行为预测与安全性评估方面仍存在一定的挑战。目前，尽管已有的计算模型和方法在常规条件下能够满足设计需求，但在地震、高温、高压等极端工况下，结构材料性能退化机理复杂且难以精确模拟，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。
核岛钢结构包含钢衬里、钢制安全壳、不锈钢覆面、特种门、特殊钢结构、钢板墙结构等。目前设计建造标准除了 ASME、RCCM、AWE 外，还有俄罗斯 ROCT 标准、EN 欧标(EN 287、EN 288)、ETC-C 规范、GB 19869、NB / T 47015 等。
核电厂钢结构在设计、施工及检验方面都有别于普通的民用建筑，世界其他核电强国均有一套完整的核电标准，而国内还没有与核安全相关的钢结构设计、施工及检验的国家标准。
其次，施工工艺与质量控制方面的问题同样不容忽视。核电钢结构因其特殊的使用环境与严格的安全标准，对焊接、防腐、无损检测等施工环节的技术要求极高。现有的施工技术和装备在面对大型、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，如何进一步提升施工精度、优化施工流程、减少人为因素影响，成为推动核电钢结构技术进步的重要环节。
再次，核电钢结构的防腐问题也十分重要。核电站一般位于远离人口稠密地区的江河、海边，因此外部一般设备、厂房等腐蚀环境基本属于腐蚀等级较高的临水(海水、淡水)条件。核电运行后，设备使用周期长，这些对核电及相关系统钢结构等的防风、防腐、防潮性能，安全可靠性，工作效率等提出了十分苛刻的要求。核电站必须采用特殊的重防腐涂料涂装，才能满足长期防腐的要求。同时，核岛内适用涂层必须具有一定的耐温性、抗辐照老化性。
最后，核电站全寿命周期内的维护与管理，即安全性及耐久性评估亦面临一定难题。由于核电设施长期处于高辐射环境下运行，钢结构在服役过程中的老化、腐蚀以及可能产生的缺陷会对其安全性构成潜在威胁。因此，建立和完善针对核电钢结构的智能监测系统和高效维护策略，对于确保核电站的安全稳定运行具有重要意义。
展望未来，核电钢结构技术将朝着更加智能化、轻量化、绿色化方向发展。一方面，新材料的应用如耐蚀、耐高温、高强度钢材的研发，有望提高核电钢结构的综合性能;另一方面，数字化建造技术、先进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，都将极大地推动核电钢结构技术水平的跃升。与此同时，强化国际合作，借鉴并引进国外先进经验和技术成果，也将加速我国核电钢结构技术的自主创新进程。
总的来说，尽管核电钢结构技术在发展中面临着上述诸多挑战，但伴随着科技的不断进步和创新研究的深入，有理由相信这些问题将逐一得到解决，从而为实现核电产业的可持续发展奠定坚实基础。同时，面向未来，核电钢结构技术将在保障能源安全、推进绿色发展等方面发挥更为关键的作用，展现出广阔的应用前景。
5 结论与讨论
对核电钢结构技术发展的全面梳理和深入剖析后，可以得出结论：当前核电钢结构技术在世界范围内的发展已经取得了显著的进步，其在保障核电站安全稳定运行、提升建设效率以及延长设施寿命等方面起到了关键性作用。从过去几十年的发展历程来看，无论是材料科学、设计理论还是制造工艺，均实现了创新突破，尤其是在高强度钢材的研发与应用、抗震设计优化以及预制化施工技术等方面，都展现出了核电钢结构技术的强大生命力和发展潜力。
然而，尽管已取得诸多成就，但仍需清醒地认识到核电钢结构技术在前进道路上面临的一系列挑战。首要问题在于极端环境下材料性能的保持与优化，如何确保钢材在长期高剂量辐射环境下维持足够的机械性能与耐腐蚀性是亟待解决的关键技术难题。同时，随着新型反应堆设计和技术路线的不断涌现，如小型模块化反应堆(SMR)和第四代反应堆等，对核电钢结构的设计理念与制造方式提出了全新的要求，特别是在紧凑性、模块化和快速建造方面的需求尤为突出。
展望未来，核电钢结构技术有望在数字化设计、智能制造、新材料研发等方面迎来新的发展机遇。通过深度融合信息技术与传统工程技术，实现核电钢结构全生命周期的智能化管理，将大大提高核电站的安全性与经济性。此外，随着绿色低碳转型的推进，核能作为清洁高效的基荷电源，在全球能源结构中的地位将进一步提升，这无疑将推动核电钢结构技术向更高效、更环保的方向持续演进。
综合上述分析可以预见到，核电钢结构技术的发展方向将着重于提高结构的可靠性和耐用性，强化适应新型反应堆设计需求的技术创新能力，并积极应对环境友好型材料的应用研究。同时，加强国际合作，共享科研成果，共同应对关键技术挑战，将有助于在全球范围内推动核电钢结构技术的整体进步，进而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。
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