核电站是通过反应堆将核燃料裂变产生的能量转变为电能的发电厂。目前世界各国核电站常用的反应堆有压水堆、沸水堆、重水堆、改进型气冷堆和快堆等，但应用最广泛的是压水堆。压水堆是以普通水做冷却剂和慢化剂，它是在军用堆基础上发展起来的最成熟、最成功的动力堆型。我国除秦山三期采用了加拿大坎杜型压力管式重水堆型，其余均为压水堆型核电站，已建成的都是二代堆型，正在建造的多为二代加或第三代堆型。本文以AP-1000为例介绍压水堆一回路主设备的焊接问题。
AP1000安全壳布置图
压水堆核电厂将核能转换为电能的工作原理图
AP1000核岛反应堆冷却剂系统的布置图
AP-1000压水堆的工矿条件：
核燃料：UO2（约3%浓度）
压水堆的冷却水：高纯水
压力：17.13MPa（表压力）
温度：350℃（ 343.33 ℃）
AP-1000是美国西屋公司开发的第三代压水堆核电机组，被称为非能动安全先进压水堆，其主要特点是AP-1000核电是在2代压水堆基础上革新的压水堆型，采用了“非能动”技术路线，即利用自然界固有的规律来保障安全。主要是利用物质的重力、流体的自然对流、扩散蒸发、冷凝等原理，在事故应急时冷却反应堆的厂房安全壳的热量和带去堆芯余热。采用这种理念设计的核电站，简化了安全系统设置，减少了安全设备、降低事故的可能性，大大提高了核电站安全性。图4为“AP-1000非能动安全壳冷却示意图”，图5为AP-1000与英国2代加核电厂设备部件的数量比较。
AP-1000非能动安全壳冷却示意图
AP-1000与英国2代加核电厂设备部件的数量比较
AP-1000大大简化了结构，提高了核安全。AP-1000压水堆与2代、2代加压水堆相比，在结构简化提高核安全方面进行了很大的改进，但就其一回路设备的结构、材料、制造工艺及其技术条件均无重大变化。
压水堆型核电站一回路主要设备及焊接问题
主要设备有：反应堆压力容器、蒸发器、稳压器、主泵、主管道、堆内构件、控制棒、耐压壳及核燃料组件等。
1、反应堆压力容器（R.P.V）的构造及焊接
反应堆压力容器的构造见图6（a）所示。（从上向下）①一体化顶盖组件（法兰和球型顶盖），②上筒体，③下筒体，④下封头，⑤堆内构件等组成。所有出水口、进水口均在上筒体，主焊缝全部在下筒体活性区以外。
（a）反应堆压力容器构造
（b）反应堆压力容器各焊接部位所采用的典型焊接工艺示意图
反应堆压力容器的构造
反应堆压力壳由A508-3（Mn、Mo、Ni）低合金钢制造,主要的焊缝位置及焊接工艺见图6（b）所示。①主焊缝采用与母材配套的MnNiMo焊材的窄间隙埋弧焊焊接，焊接坡口见图7，②管嘴可采用整体锻造而成或采用分开锻造和手工电弧焊焊接而成，③反应堆压力壳各部分内表面均采用309L+308L带极堆焊，④控制棒驱动机构的耐压壳与顶盖的贯穿孔之间采用ENiCrFe-7手工焊和ERNiCrFe-7焊材TIG焊接，⑤堆内构件用304LN控氮不锈钢制造，采用308LN焊丝埋弧焊（SAW）或手工焊（SMAW）或手工GTAW焊，⑥堆内构件在压力容器内的横向固定支撑块采用ERNiCrFe-7（GTAW）和ENiCrFe-7（SMAW）焊接。
窄间隙埋弧焊坡口
反应堆压力容器制造时焊接的关键：
①主焊缝焊接采用窄间隙工艺，对焊剂的适应性要求高，首先脱渣性要好。主焊缝的性能主要是塑韧性问题，焊剂应用高碱度、超低氢烧结焊剂，严格控制焊丝焊剂杂质元素S、P、As、Sb、Cu等。尽可能降低无塑性转变温度RTNDT、RPV（活性区锻件要求RTNDT为-23.3℃）。
②R.P.V顶盖控制棒驱动机构耐压壳贯穿焊缝为厚壁马鞍型焊缝，采用ERNiCrFe-7（inconel 690）焊接，焊缝根部实际是内壁309L+308L带极堆焊层，A508-3母材耐压壳体与ERNiCrFe-7TIG焊材的复杂焊缝（有人称之为三交点），因此，这里可能极易产生裂纹、未熔合、夹渣等缺陷，同时由于TIG焊缝为窄而深的坡口，气体保护不良时也极易产生未熔合、夹渣以及裂纹等缺陷，坡口形状见下图。
控制棒耐压壳焊接坡口
③接管安全端的堆焊及安全段的焊接，坡口形状见图9。在接管安全段与接管端焊接时，也会产生三交点问题，在以往的核电站建造时都曾经产生过裂纹、夹渣等问题。因此对焊接材料抗裂性和润湿性等要求很高，焊材研制中不仅要考虑到某种焊材熔敷金属的成分组织和焊接性，而且要考虑接头的复杂结构，几种材料形成的焊缝金属的焊接性能。焊接材料受母材接头部位先焊的异种焊材形成的堆焊金属的稀释作用，对最终焊缝性能的影响。R.P.V焊接中多处使用了Inconel 690(ERNiCrFe-7、ENiCrFe-7)焊材，特别是ERNiCrFe-7用量很大，焊接是特别重要的。
反应堆压力壳接管安全端堆焊及热丝TIG自动焊
④堆内构件的焊接材料及焊接
堆内构件由上部堆内构件和下部堆内构件两大组件组成，堆内构件为堆芯、控制棒及灰棒提供保护和支撑使反应堆可靠地运行。
堆内构件主要材料为300系列不锈钢（304LN）制造，吊兰、筒体、围筒、上下支撑板等厚度差别很大，例如上下支撑板厚度可达400mm以上，而吊兰筒体厚度则只有76mm，因此，焊接工艺复杂、焊接难度较大。不同部位需采用不同的工艺，手工焊、埋弧焊、氩弧焊均可能使用，所有焊缝均为连接焊缝，受力很大，同时因在活性区以内还受强辐照作用，故对焊缝的塑韧性要求比较苛刻。
钢铁研究总院为09工程研制的ER308LN焊丝和E308LN焊条可较好的达到304LN控氮不锈钢的性能指标（见表1~表3），已进行中子辐照试验。
堆内构件是反应堆系统的一部分，是反应堆压力容器内支撑堆芯的结构部件，堆内构件装在反应堆内，但并不与反应堆压力容器连接（焊接）。堆内构件在压力容器内用U型支撑块、定位键等支撑和定位。堆内构件为燃料组件，控制棒及其运动、堆内测量装置等提供支撑和保护，为冷却剂流向导向等。
2、蒸汽发生器
蒸汽发生器是将反应堆的热能（高温高压水）转换成高温蒸汽传递给二回路，推动汽轮机发电。
通常一座反应堆配套两个蒸发器，例如AP-1000。蒸发器的构造和各部分锻件如下图所示，蒸发器是由9个A508-3锻件（或A533B钢板）焊接而成。
蒸发器结构图和锻件
蒸发器的内部主要是由传热管构成，传热管采用Ni-Cr-Fe合金（Inconel 690）制造，管外径17.5mm，壁厚1mm，长度22.46m，传热管总数为10025根。表4是AP-1000蒸汽发生器壳体各部分锻件的重量。
蒸发器由于部件多、重量大、焊缝多、焊接工艺复杂，因此焊接是主要工艺。主焊缝依然采用窄间隙埋弧焊工艺。其制造难度最大的是管板、水室下封头。管板是直径4488mm，厚度797mm的A508-3钢锻件，（毛坯φ4800×900mm）。管板表面需采用埋弧或电渣带极（ENiCrFe-7）堆焊，然后钻孔，再进行传热管（Inconel 690合金）与堆焊层的焊接。在管子与管板之间焊接时，有可能产生焊接的缺陷：热裂纹、未熔合、未焊透、夹渣等。与焊接材料的纯洁度、某些合金元素的含量以及焊接工艺参数的选择和控制有关。
管和管板之间的焊接实际上是Inconel 690合金管、ENiCrFe-7带极堆焊层和ERNiCrFe-7TIG焊丝三种材料之间形成的焊缝金属（图11），三种材料虽然Ni、Cr、Fe等主要元素含量相同，但是某些少量合金元素不尽相同，而这些元素（例如Nb、Si、Mn、Al、Ti、Cu、S、P等的含量）对热裂纹、高温低塑性裂纹、夹渣均产生重要的作用。表5是 Inconel 690管、焊丝、焊条、焊带化学成分。
管板与传热管的焊缝为异种钢焊接
蒸发器水室下封头内壁Inconel 690焊带（ENiCrFe-7）堆焊，并用Inconel合金隔板把下封头分隔为两半部分（即一次侧入口接管嘴出口端两部分），隔板与堆焊层的焊接是在手工焊（或TIG焊）与带极堆焊层以及Inconel隔板之间的焊缝。同样是一个异种材料的焊接，因此防止这一焊缝的产生缺陷（裂纹、夹渣、未熔合）也是一关键。
3、稳压器的焊接
一回路系统中稳压器的作用是调节压力、冷却剂水位，保持冷却剂液体与蒸汽维持饱和状态的平衡点，使反应堆在稳态运行，并通过安全阀起到超压保护等作用。
稳压器的结构较为简单（如图12所示），其主要焊接是A508-3（或A533-B）钢的内壁309L+308L带极堆焊和A508-3钢主焊缝的窄间隙焊接。
稳压器结构
4、冷却剂屏蔽泵（主泵）
由美国科蒂·怀特EMD公司制造。主泵壳体用不锈钢制造安装时需要与主管道焊接联接。
5、冷却剂系统管道焊接
冷却剂系统主要有主管道、波动管以及各种辅助管线等组成。主管道是连接反应堆、蒸发器之间的管道，由316LN（控氮）不锈钢离心铸造或锻造而成，后者是AP-1000所采用的主管道制造工艺。波动管是连接稳压器与压力容器和蒸发器之间的管路。
一回路冷却剂管线主管道、波动管等均采用316LN钢，而其他辅助管线采用304L钢制造，但焊接材料均为316L（或316LSi）等焊材。
主管道连接焊缝可采用两种焊接工艺：TIG（热丝）焊或埋弧焊，在主管道制造厂可采用埋弧焊或TIG焊，焊接时主管道可以置于转胎上，管子旋转，在水平位置焊接，比较容易施焊和保证质量。但是通常采用窄坡口焊缝，焊剂的湿润性、脱渣性很关键。同样在现场安装时采用TIG或热丝TIG焊工艺，则对熔池的流动性湿润性要求也很高，所以采用316LSi类型的焊丝。
在严格控制焊材316L（316LSi）化学成分和合适的铁素体含量的情况下，主管道和波动管的焊接接头耐蚀性、力学性能和抗裂性是有保证的。主管道焊缝力学性能比较重要，因为主管道焊缝是受力焊缝，承担管道的各种力学性能及耐蚀性能。我们已试制了316LSi焊丝，各项性能均符合设计指标要求。
核电一回路焊接的特殊性
核电站一回路主设备的焊接除了压力容器、蒸发器、稳压器和主管道等本身的焊接是同材焊接（即母材和焊材属于同种成分组织）外，其余不锈钢大面积堆焊、Ni基堆焊及接管安全端的堆焊，均是异种材料焊接。这种复杂的异种钢焊接在其他工况结构上很少见。
母材和焊材的成分，组织不相同焊接时，由于稀释的作用，形成与母材、焊材不同的成分和组织的焊缝金属。焊缝金属的某些性能如抗裂性、耐蚀性或者力学性能，与焊材本身（熔敷金属）的性能相比发生很大变化，往往是焊接接头，特别是焊缝金属存在腐蚀、力学性能问题和产生缺陷的原因。所以，有关异种钢材料焊接时的焊接性研究很关键。