熔盐堆设备焊接技术发展与应用

1、引言

熔盐堆是第四代先进核能系统的代表之一，凭借其固有的高安全性和高效能的潜力，成为我国实现“双碳”目标的重要技术路径。其核心特点是核燃料直接溶解在高温熔融氟化盐中，实现燃料的循环利用和高效发电。这种革命性的设计，使熔盐堆具备了液态燃料、高温常压运行、固有安全性和高效利用钍资源等独特优势，正引领核能技术的创新发展。

在这一前沿领域，中国已率先取得工程突破——2MWt钍基熔盐实验堆（TMSR-LF1）是全球首个建成并运行的液态燃料实验堆（图1），并于2025年成功完成“钍铀循环”的关键验证，标志着我国在该领域从“并跑”迈入“领跑”阶段。然而，将这一创新设计从实验推向商用，仍需攻克一系列极端工况下的工程难题。其中，如何确保设备在高温、强腐蚀性熔盐环境中长期安全可靠运行，对焊接技术提出了前所未有的挑战。

图1 2MWt钍基熔盐实验堆

在高温、强腐蚀和中子辐照等多重极端条件共同作用下，反应堆容器、换热器、管道等关键设备——被称为核能系统的“钢铁筋骨”——必须具备极高的可靠性。而将这些设备连接成整体的焊接技术，已不再是简单的连接手段，而是直接决定设备完整性、安全性与使用寿命的关键技术。

2 TMSR-LF1设备焊接

2.1 主容器焊接

TMSR-LF1是一座一体式反应堆，堆本体集中安装了堆容器、石墨构件、金属构件及燃料盐回路等核安全级关键设备。主容器由顶盖组件和筒体组件组成，顶盖包括蝶形封头和多个通道接管，筒体则由法兰、直筒体、下封头、堆芯支撑环以及二回路进出口接管等构成。所有部件均采用GH3535合金制造，其中法兰、直筒体和堆芯支撑环由环轧件制成，仅存在环向焊缝，无纵向焊缝。

1）接管内壁全位置对接焊技术

在该实验堆中，熔盐-熔盐换热器与主容器直接相连。由于结构设计紧凑，焊接操作空间十分狭窄，正面无法进行操作（图2），因此采用了内孔焊接方式。这种焊接方法面临单面焊双面成型难、盲焊不可视、焊接变形控制难等技术挑战。通过采用自主研发的内孔填丝氩弧焊设备，配合交替焊接和内部防变形工装，成功完成了换热器的安装焊接。

图2 熔盐换热器接管焊缝示意图

2）环缝单面焊双面成型技术

主容器筒体由上、下封头、直筒体和法兰组成，形成多条环焊缝。其中上封头与法兰的焊接必须在内部构件安装完成后进行，此时只能采用立式横焊位置，且内部构件已就位，对清洁度要求极高，不具备返修条件。因此，该焊缝必须采用单面焊双面成型的横焊工艺。通过轨道式自动钨极氩弧焊机、ERNiMo-2焊丝，以及严格控制焊接参数、层间温度和高纯氩气保护等措施，确保了焊接质量。焊后经热处理和无损检测，满足验收要求。

2.2 换热器焊接

熔盐-熔盐换热器是实验堆的主要传热设备，其功能是将堆芯热量传递给二回路熔盐。换热器由水室、管束、壳体及支撑架等组成，主要零部件均为GH3535合金。焊接工作包括接管与进出口的焊缝、壳体环缝和纵缝、以及换热管与管板的焊缝等。其中，换热管与管板的焊接最为关键。

换热管与管板采用了内孔对接焊技术，即将焊枪插入管板孔内，在管子与管板连接处内部进行焊接，实现双面成形（图3）。该方法接头强度高、残余应力小、应力集中小，但由于管径小、壁厚薄，焊接难度大。为此，研制了专用超细枪头内孔自动TIG焊机完成焊接。

图3 内孔焊接头示意图

2.3 控制棒焊接

控制棒是反应堆功率调节、启动和停堆的关键部件，通过链条与控制棒连接，实现堆芯反应控制。链条质量直接关系到反应堆的安全。控制棒组件由细长薄壁管焊接而成，对焊接和热处理后的直线度要求极高，且无法通过最终机加工进行修正。因此，如何控制焊接与热处理变形成为制造的关键。通过合理设计去应力热处理、零部件的粗精加工、焊接、焊后热处理等工序，成功实现了控制棒组件的高直线度制造。

2.4 回路管道焊接

熔盐-熔盐换热器是实验堆的主要传热设备，其功能是将堆芯热量传递给二回路熔盐。换热器由水室、管束、壳体及支撑架等组成，主要零部件均为GH3535合金。焊接工作包括接管与进出口的焊缝、壳体环缝和纵缝、以及换热管与管板的焊缝等。其中，换热管与管板的焊接最为关键。

换热管与管板采用了内孔对接焊技术，即将焊枪插入管板孔内，在管子与管板连接处内部进行焊接，实现双面成形。该方法接头强度高、残余应力小、应力集中小，但由于管径小、壁厚薄，焊接难度大。为此，研制了专用超细枪头内孔自动TIG焊机完成焊接。

3 结语

中国科学院上海应用物理研究所自主研发的GH3535合金焊接技术，已成功应用于熔盐仿真堆与实验堆核心设备的制造。从主容器到换热器，从控制棒到回路管道，每一道焊缝都承载着极端工况下的安全使命。所有焊缝在高温熔盐腐蚀环境下长期运行无一失效，这一工程奇迹的背后，是我国在特种合金焊接材料、专用装备、工艺控制及全流程质量保障体系上的系统性突破。

更为重要的是，这一焊接技术体系的建立，为熔盐堆从实验走向商用奠定了坚实的制造基础。它意味着我国已具备自主构建高温、耐腐蚀、高可靠性核能装备核心部件的能力，为未来熔盐堆规模化部署、钍资源高效利用以及核能多用途应用提供了可复制的技术路径。焊接技术这一看似基础的关键工艺，正从幕后走向台前，成为推动先进核能从“工程验证”迈向“产业应用”的核心支撑。