反應(yīng)堆用材料1學(xué)習(xí)課件

1、1 5.1 包殼材料 包殼材料是反應(yīng)堆安全的第一道屏障。它包容裂 變產(chǎn)物，阻止裂變產(chǎn)物外泄；它是燃料和冷卻劑 之間的隔離屏障，避免燃料與冷卻劑發(fā)生反應(yīng)； 它給芯塊提供了強(qiáng)度和剛度，是燃料棒幾何形狀 的保持者。 它工作在高溫高壓環(huán)境中；暴露于快中子輻照 場下；一邊是高溫的燃料芯塊，一邊是冷卻劑； 在它的壽期內(nèi)承受不斷增加的應(yīng)力。應(yīng)力一方面 來自外部冷卻劑的壓力及熱應(yīng)力;另一方面來自內(nèi) 部的燃料腫脹、裂變氣體釋放造成的內(nèi)應(yīng)力和芯 塊與包殼相互作用產(chǎn)生的機(jī)械應(yīng)力等。因此包殼 設(shè)計(jì)非常臨界，對包殼材料的要求非常高。 2 包殼材料應(yīng)具備的條件敘述如下： （1） 具有小的中子吸收截面。 （2） 具有良好的

2、抗輻照損傷能力，并且在快中子輻照下不要產(chǎn)生強(qiáng)的長壽命核素。 （3） 具有良好的抗腐蝕性能，與燃料及冷卻劑相容性好。 （4） 具有好的強(qiáng)度、塑性及蠕變性能。 （5） 好的導(dǎo)熱性能及低的線膨脹系數(shù)。 （6） 易于加工，焊接性能好。 （7） 材料容易獲得，成本低。 3 5.1 包殼材料簡介 在熱堆中，為了中子的經(jīng)濟(jì)性，必須采用中子吸收截面 小的包殼材料。目前只有四種元素可考慮做包殼材料，它 們具有小的中子吸收截面和較高的熔點(diǎn)。它們是： 鋁（0.23靶恩）、鈹（0.010靶恩）、 鎂（0.063靶恩）、鋯（0.185靶恩）。 鋁、鎂、鋯已用于燃料元件包殼，下面我們分別進(jìn)行討論。 不銹鋼以其優(yōu)異的高溫性

3、能和價(jià)格優(yōu)勢在快中子增殖堆中 用作包殼材料。因?yàn)樵诳於阎兄凶咏?jīng)濟(jì)性不十分嚴(yán)峻，而 包殼材料的高溫性能成了主要制約因素。 商用動力堆無論是沸水堆、壓水堆，還是重水堆都用鋯合 金作包殼。 4 1 鋁及其合金 鋁是首先被考慮用作反應(yīng)堆包殼的。它的中子吸收 截面不是最小的，強(qiáng)度也不高，但因?yàn)殇X有成熟的工業(yè)基 礎(chǔ)，易于加工生產(chǎn)，此外它有一定的強(qiáng)度，好的導(dǎo)熱性能 和在373K以下較好的抗腐蝕性能。 鋁合金常被用于373K以下的，以水作冷卻劑，功率較 低的，用于研究、培訓(xùn)及試驗(yàn)的反應(yīng)堆中作燃料棒的包殼 材料。也作為生產(chǎn)堆的包殼材料。 如401院的重水研究堆（101）、輕水研究堆（492）、 微型中子源反應(yīng)堆

4、以及CARR堆。 常用的鋁合金牌號是6061。含1.2%Mg、0.8%Si、 0.4%Cu、0.35%Cr。它具有好的抗腐蝕性和機(jī)械強(qiáng)度。 5 2 鎂及其合金 鎂的中子吸收截面是鋁的1/4，對中子的經(jīng) 濟(jì)性來說是很理想的材料，但鎂在高溫下會與二 氧化碳起作用而被氧化。在冶金及生產(chǎn)上的問題 則集中在防火、抗氧化和增加蠕變強(qiáng)度上。因此 使用受到限制。 鎂合金（Magnox Al-80）含0.8%Al、 0.02-0.05%Be, 它有好的抗蝕性和好的機(jī)械性能 （延展性）及可焊性，因而被用于英國的用石墨 作慢化劑，二氧化碳為冷卻劑, 金屬鈾為燃料的動 力堆中作為燃料元件的包殼，可用至 5000MWd

5、/tU。 6 3 鋯及其合金 純鋯是一種銀白色，有光澤的延性金屬， 473K時(shí)理論密度為6.55Mg/m3，熔點(diǎn)為2125K。 鋯在高溫下強(qiáng)度高，延性好，中子吸收截面小， 在高溫水中抗腐蝕性能好，有較高的導(dǎo)熱性和較 好的加工性能，與二氧化鈾芯塊有較好的相容性。 因此鋯合金被廣泛地用于動力堆作包殼材料。 主要的鋯合金有Zr-2， Zr-4， Zr-1Nb， Zr- 2.5Nb，最新發(fā)展的鋯合金有M5或ZIRLO合金等。 7 5.1.2 鋯-4合金的性能 鋯-4合金是鋯錫系的合金，它的性能在鋯合金中是比較好的，強(qiáng)度比純鋯大（參見表5-2），抗氧化、耐 腐蝕性能都比較好，特別是吸氫比鋯-2少，僅為鋯

6、-2合金的三分之一到二分之一。 8 鋯的性能 （1）存在著兩個(gè)同素異型結(jié)構(gòu) 從室溫到1135K為相，密排六方結(jié)構(gòu) （HCP） 1135K到2125K為相，體心立方結(jié)構(gòu)（BCC） （2）線膨脹系數(shù) 4.9X10-6K-1 （3）熱導(dǎo)率 23.7W/mK （473K時(shí)） （4）抗拉強(qiáng)度 334MPa （5）延伸率 25% 9 鋯的性能 （6）有些性能與加工的原始狀態(tài)及過程有關(guān)； a. 存在織構(gòu)，織構(gòu)與拉拔過程有關(guān)，不能通 過熱處理改變； b. 在573K溫度時(shí)氫的溶解度只有75PPm； 在高溫下氫溶解于基體中，低溫時(shí)以ZrH1.5 的形式析出，氫化物析出的方向和數(shù)量會影響鋯 的性能，而氫化物析出的

7、方向和分布與織構(gòu)有關(guān)； c. 與氧在高溫反應(yīng)。鋯中的雜質(zhì)元素（氮、 碳、氧、鋁等）尤其是氮，即使是微量（0.004%） 對鋯的抗氧化性能和抗腐蝕性能影響也很顯著。 10 5.2.2 鋯合金 常用的鋯合金有鋯-錫系列及鋯-鈮系列它們的成分如下： 合金名稱 Sn （%） Fe（%） Ni（%） Cr（%） N（%） Zr-1 2.5- Zr-2 1.2- 1.7 0.07- 0.2 0.03- 0.08 0.05- 0.15 - Zr-4 1.2- 1.7 0.18- 0.24 -0.07- 0.13 - Zr-1Nb -1.1 Zr-2.5Nb -2.4- 2.8 11 表5-2* 鋯合金的常用

8、機(jī)械性能： 合金名稱合金名稱 強(qiáng)度極限（強(qiáng)度極限（MPaMPa） 屈服極限（屈服極限（MPaMPa）延伸率（延伸率（% %） 碘化法鋯碘化法鋯# #180-270180-27050-13050-13030-5030-50 Zr-2Zr-2合金合金# # （2020o oC C） 700,510,450700,510,450527,422,352527,422,35212,16,2812,16,28 （340340o oC C）2802802252252020 Zr-4Zr-4合金（合金（RTRT）7557555895892323 （385385）4504503633632525 Zr-1NbZ

9、r-1Nb合金合金320-380320-380180-250180-25028-4028-40 Zr-2.5NbZr-2.5Nb合金合金400-480400-480280-350280-35022-2522-25 12 * 表5-2 的數(shù)據(jù)擇自原子能出版社的“核動力用鋯合金” # 碘化法精煉純鋯（30oC）的機(jī)械性能。 # 20oC時(shí)的三個(gè)數(shù)據(jù)分別為消除應(yīng)力退火，部分再結(jié)晶退火，完全再結(jié)晶退火的性能值；340oC的數(shù)據(jù) 為部分再結(jié)晶退火的性能值。 13 鋯錫系列合金 （1） Zr-1合金 由于純鋯的抗腐蝕性能受氮的影響很大，研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)加入2.5%Sn時(shí)可以抵消 700ppm 氮的有害影響，并

10、能使生成的氧化膜牢固地附著在鋯基體上，于是產(chǎn)生了 以鋯-2.5%錫為合金成分的工業(yè)合金“鋯-1”。 14 （2） Zr-2 合金 進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)，在鋯中加入約0.1%的 鐵和少量的鉻及鎳是極為有利的。 與鋯-1合金相比，錫的含量適當(dāng)降低，因?yàn)?含錫量增高會降低合金的耐蝕性。因此鋯-2合金 的添加元素成分為：錫-1.5%；鐵-0.12%；鉻- 0.10%；鎳-0.05%。 經(jīng)過近30年在沸水堆和壓水堆上作燃料包殼 及堆芯結(jié)構(gòu)部件的應(yīng)用，證明鋯-2合金在高溫水 和蒸汽中有良好的耐蝕性能和強(qiáng)度，運(yùn)行是可靠 的。它的熱中子吸收截面在0.18-0.23靶恩,硬度 為純鋯的兩倍。 15 （3） Zr-4

11、合金 為了改善材料的吸氫所造成的缺陷，進(jìn)行了大量的研究。研究證明，在350 oC 水中和400 oC蒸汽中的吸氫與鎳的含量有很大的關(guān)系。 把鎳含量由原來的0.05%降低到0.007%，而鐵含量由原來的0.12%增加到 0.18%，這就形成了鋯-4合金。鋯-4合金在350oC高溫水和400oC蒸汽中有更好的 耐腐蝕性能，而吸氫量僅為鋯-2吸氫量的1/2-1/3，其余性能與鋯-2相似。它已廣 泛被用于壓水堆作為燃料包殼和堆芯結(jié)構(gòu)材料。 16 鋯-4合金的性能歸結(jié)如下: 1）具有小的中子吸收截面； 2）具有良好的抗輻照損傷能力，在快中子輻照下不產(chǎn)生 強(qiáng)的長壽命核素； 3）具有良好的抗腐蝕性能，不與二

12、氧化鈾燃料反應(yīng)，與 高溫水相容性好； 4）具有好的強(qiáng)度、塑性及蠕變性能； 5）熔點(diǎn)高（1852），熔點(diǎn)以下存在兩種同素異構(gòu)體， 相變溫度在862（）； 6）導(dǎo)熱性能好，熱膨脹系數(shù)低； 7）工藝性能好，加工和焊接性能好； 8）價(jià)格相對較貴； 9）存在織構(gòu)，不能用熱處理的方法改變； 10）有吸氫和氫脆問題，氫化物的析出方向會影響鋯-4 合金包殼管的堆內(nèi)性能； 11）高溫下與氧反應(yīng)，限制在400以下使用。 17 鋯鈮系列合金 鈮的中子吸收截面不大（1.1靶恩），加入一定量的鈮可消除一些雜質(zhì)如碳、鋁 和鈦的有害作用，并可以有效地減少鋯合金的吸氫量。 鈮在相中的固溶度很大，由于鈮和鋯有相同的晶體點(diǎn)陣，原

13、子半徑也很接近， 可以形成一系列固溶體，可以通過/的相變，及時(shí)效硬化處理提高鋯合金的強(qiáng)度， 相變過程按貝氏體-馬氏體機(jī)理和彌散硬化機(jī)理進(jìn)行。 18 （1）鋯-1鈮合金 含有1%（wt）的鈮的合金作為壓水堆包殼材料其耐蝕性僅次于鋯-2合金，而 吸氫僅是鋯-錫合金的1/5-1/10，并且有足夠的強(qiáng)度和延性。用于前蘇聯(lián)的列寧核 電站及田灣核電廠。 （2）鋯-2.5鈮合金 含有2.5%（wt）鈮的合金主要用作重水堆壓力管，動力堆元件盒殼體板材及 堆芯部件結(jié)構(gòu)材料。其徑向蠕變速率最小，并有足夠的耐蝕性和強(qiáng)度。 19 新鋯合金 20世紀(jì)90年代以來，為了提高壓水堆燃料元件的性能，增加燃耗。各國都開發(fā)研制

14、了新型的鋯合金。新鋯合金打破了鋯-錫，鋯-鈮合金的界限，采用新的思維，互相 融合。在原來鋯合金的基礎(chǔ)上取得了突破 我國開發(fā)了N18，N36, NZ2，NZ8等合金；法國開發(fā)了M4，M5合金；美國開發(fā) 了ZIRLO合金；俄羅斯開發(fā)了E635合金；日本開發(fā)了NDA合金，韓國開發(fā)了 HANA合金。 20 新鋯合金 N18合金 Sn1.06%, Nb0.36%, Fe0.30%, O1000-1500g/g N36合金 Sn1%, Nb1%, Fe0.31%, O1000-1500g/g NZ2合金 Sn1.0%, Nb0.3%, Fe0.3%, Cr0.1% NZ8合金 Sn1.0%, Nb1.0%

15、, Fe0.3% 21 新鋯合金 M4合金（法) 采用再結(jié)晶退火工藝 Sn0.5%,Fe0.6%,V0.4% M5合金（法）Nb1%,O0.125%,S0.002% ZIRLO合金（美）Nb1%,Sn1%,Fe0.1% E635合金（俄）Nb1%,Sn1.3%,Fe0.35% NDA(日) Sn1.0%， Nb0.1%,Fe0.28%， HANA-4（韓）1.5%Nb，0.4%Sn，F(xiàn)e、Cr 22 新鋯合金與鋯-4合金相比有以下的改進(jìn)： 主要提高熱蠕變強(qiáng)度及輻照蠕變強(qiáng)度， 提高抗腐蝕能力， 提高抗輻照生長能力。 減少吸氫量 23 與鋯-4相比較 與Zr-4相比ZIRLO合金在高溫水和含70g

16、/g鋰的水中的耐腐蝕性比Zr-4好。水側(cè)腐蝕減少60；輻照生 長減少50；輻照蠕變降低20。 M5與Zr-4相比，在高燃耗下的氧化膜厚度為鋯-4合金的1/3；吸氫量為鋯-4合金的1/6，輻照生長比鋯-4 合金減少2倍。 24 我國的新鋯合金 NZ2和NZ8合金的研究已進(jìn)入工程化研究階段，它們的力學(xué)性能優(yōu)于Zr-4合金，在含鋰離子的高溫水中的 耐腐蝕性得到明顯改善，在500過熱蒸汽中長期腐蝕沒有出現(xiàn)癤狀腐蝕現(xiàn)象。 25 鋯合金包殼管的制造工藝 26 鋯-2或鋯-4合金包殼管的制造流程 金屬鋯（碘化法鋯棒，海綿鋯或粉末鋯）+合金元素+回 收料 | 壓制塊，進(jìn)行燒結(jié) | 將壓塊接到自耗電極上 | 真

17、空自耗（或電?。┤蹮挘ǘ沃厝坭T錠） | 鍛成一定尺寸的棒料，進(jìn)行熱處理 | 鍛棒切成定尺長的坯料 | 加熱穿孔或機(jī)加工鉆孔，制成空心管坯，管坯包銅套 | 加熱擠壓使空心管坯成為厚壁管（套筒或套 管） | 27 | 在皮爾式機(jī)床上進(jìn)行冷軋（預(yù)先除銅套或不除） | 酸洗，檢驗(yàn)表面質(zhì)量 | 中間熱處理 | 最終軋制到成品管尺寸 | 除油，酸洗 | 完工熱處理 | 矯直 | 管子表面精整 | 成品管試驗(yàn)與檢驗(yàn) | 管子包裝 28 由于鉿的中子吸收截面大（105靶恩），必須把鉿從鋯中清除，而鋯鉿性質(zhì)相 近，不易分離。用碘化法可以達(dá)到此目的。 4 2 ZrSiO ZrO 4 ()Zr Hf Cl 氯化

18、2 ()Zr Hf OCl 與水反應(yīng) 萃取 Zr 二次氯化 ZrCl4 加鎂還原 Zr+MgCl2 分離 海綿鋯 關(guān)鍵工藝：（1） 鋯鉿分離 29 原料為海綿鋯, 按比例加入合金元 素后壓制成塊，然后焊接成棒，做成自 耗電極，在真空自耗式電弧爐中熔煉成 錠 為充分除氣和使成分均勻, 要多 次熔煉，然后鍛成棒料，再切成坯料。 關(guān)鍵工藝： （2） 合金的熔煉 30 用熱壓力加工或機(jī)加工的方法制成管坯 在500-700OC 的相區(qū)內(nèi)，在液壓機(jī)上使坯 料通過模具。為了防止吸氣和提高潤滑效果，在 坯料外包銅套，通過擠壓成為厚壁管。 關(guān)鍵工藝： （3） 擠壓成管坯 31 在Pilger軋機(jī)上進(jìn)行加工，逐漸

19、 冷軋成薄壁管。 采用中間退火以驅(qū)除冷加工的應(yīng) 力，并恢復(fù)再結(jié)晶；使管子達(dá)到成品尺 寸的終軋是燃料包殼管制造工藝過程中 最重要的工序之一。（參見圖） 關(guān)鍵工藝： （4） 冷加工 32 圖5-1 5-1 包殼管性能與加工方式的關(guān)系 由圖5-1可知，一般Q值應(yīng)取大一些可獲得取向?yàn)榍?向的氫化物。 33 （4） 冷加工 為了獲得取向?yàn)榍邢虻臍浠铮詼p少氫 化物析出對力學(xué)性能的影響，管壁厚度的變形 量必須大于直徑的變形量，而且要求使晶粒的 基極取向接近徑向，或與徑向成10-15o角，為 了表征這種變形關(guān)系，引入指數(shù)Q值，以下式表 示： Q 管壁變形量減壁 或 管徑變形量減徑 34 按包殼管的要求來選

20、擇退火制度。可選擇450-500oC消除應(yīng)力退火或選用 600oC以上再結(jié)晶退火制度。 （6）表面處理 成品管的最后處理：沸水堆用包殼多用化學(xué)拋光，再經(jīng)高壓釜預(yù)生致密氧化膜， 以提高耐蝕性和抗磨能力； 壓水堆用包殼多采用機(jī)械拋光，在堆內(nèi)再形成氧化膜。 關(guān)鍵工藝：（5）最終退火 35 關(guān)鍵工藝： （6）表面處理 成品管的最后處理： 沸水堆用包殼，多用化學(xué)拋光，再經(jīng)高壓釜預(yù)生致密氧化膜，以提高耐蝕性和抗磨能力； 壓水堆用包殼，多采用機(jī)械拋光，在堆內(nèi)再形成氧化膜。 36 非破壞性檢驗(yàn)：肉眼檢查、表面光潔度分析、管子的長度與垂直度檢查、測量 內(nèi)徑與外徑、測量壁厚，以及超聲波無損探傷試驗(yàn)。 破壞性檢驗(yàn)：

21、化學(xué)分析、室溫、高溫下的機(jī)械性能、管子內(nèi)壓試驗(yàn)（結(jié)構(gòu)強(qiáng)度 試驗(yàn)）、腐蝕試驗(yàn)、顯微組織及氫化物取向的研究分析。 關(guān)鍵工藝： （7）成品管檢驗(yàn)與試驗(yàn) 37 5.1.3 鋯包殼管的堆內(nèi)行為 1 表面腐蝕 設(shè)計(jì)準(zhǔn)則規(guī)定，壽期末，包殼最大腐蝕深度 應(yīng)低于壁厚的10%。 （1） 均勻腐蝕 鋯合金在高溫水中具有兩個(gè)性質(zhì)不同的腐蝕 階段，其間有轉(zhuǎn)折點(diǎn)， 轉(zhuǎn)折前腐蝕速率低，形成 薄的黑色粘著膜，有光澤且平滑。它具有很高的 耐腐蝕性能。這種保護(hù)膜成分未達(dá)到化學(xué)劑量值。 它的分子式為ZrO2-x，這里x小于等于0.05。 當(dāng)膜厚達(dá)到2-3m。出現(xiàn)轉(zhuǎn)折時(shí)，膜變成灰 色，然后當(dāng)膜厚增至50-60m時(shí)變成白色。這種 形狀

22、的膜具有化學(xué)劑量的分子式，它是疏松的易 剝落的。 38 圖5-2 Zr-2和Zr-4合金的腐蝕動力學(xué)曲線示意圖 39 （2）非均勻腐蝕 主要有癤狀腐蝕（Nodular Corrosion）， 它是沸水堆中常見的腐蝕現(xiàn)象，在壓水堆中也有 出現(xiàn)，外觀形貌呈白色氧化膜圓斑，直徑約 0.5mm，局部深度達(dá)10-100m，隨著燃耗加深， 腐蝕斑擴(kuò)展成片，它發(fā)生在富氧水質(zhì)條件下。 另一常見的非均勻腐蝕為縫隙腐蝕，它發(fā)生 在定位格架和包殼管接觸部位，由于縫隙處水流 阻力大，幾乎不流動，在熱流作用下，水質(zhì)發(fā)生 變化，冷卻水中堿性離子濃集，局部PH值增加， 引起嚴(yán)重堿蝕，有一定腐蝕深度，并且隨燃耗加 深而增加。

23、 嚴(yán)重的非均勻腐蝕行為也會影響燃料棒壽命。 40 2 吸氫與氫脆 鋯合金包殼管的氫來自加工時(shí)的自然吸氫， 芯塊殘留水及氫含量，而最主要的是腐蝕吸氫。 設(shè)計(jì)準(zhǔn)則規(guī)定壽期末包殼中氫含量應(yīng)小于 250ppm。 鋯合金與高溫水氧化反應(yīng)生成氫，部分被合 金基體吸收，在高溫時(shí)固溶在基體中。氫在鋯-2 和鋯-4合金中的溶解度用下式表示： 式中：No 為溶解度（ppm）； R為氣體常數(shù)；T為 溫度K。 4 8250 9.9 10 exp o N RT 41 室溫下氫在鋯中固溶度很小，當(dāng)超過極限固溶 度時(shí)，氫將以（ZrH1.5）小片析出，因其體積比 鋯基體增大14%，150以下為脆性相，成為材 料中的裂紋源，使

24、鋯合金的延性降低。 包殼管工作時(shí)以承受周向應(yīng)力為主，氫化物析 出后，如呈徑向排列取向，就會使強(qiáng)度和延性大 大下降。 織構(gòu)是決定氫化物取向的主要因素。 氫脆現(xiàn)象與鋯包殼使用溫度有關(guān)，當(dāng)溫度低于 150時(shí)，氫化物呈脆性；高于150時(shí)具有相當(dāng) 的塑性。因此隨溫度升高，氫脆減緩或消失。所 以在停堆；換料和運(yùn)輸時(shí)要特別注意氫脆問題。 42 壓水堆低燃耗的包殼中的氫化鋯 43 壓水堆高燃耗的包殼中的氫化鋯 44 內(nèi)氫化破損是指芯塊中的水分，或包殼破損后進(jìn)入其中 的水侵蝕包殼內(nèi)壁，造成貫穿管壁的裂縫，引起燃料棒破 損。 內(nèi)氫化缺陷一般呈日爆狀。 在反應(yīng)堆運(yùn)行中，燃料釋放的水分與鋯管內(nèi)壁發(fā)生反 應(yīng)，生成氧化鋯

25、與氫。由于燃料棒中的氧不斷消耗，氫分 壓不斷增加，使棒內(nèi)的氣氛由氧化氣氛轉(zhuǎn)變到缺氧富氫氣 氛，氧化膜長期處在高溫缺氧環(huán)境中，局部氧化膜有可能 被擊穿而出現(xiàn)缺口，此處就迅速大量地吸氫，氫向低溫方 向擴(kuò)散，當(dāng)吸氫速率超過擴(kuò)散速率時(shí)，氫化物析出。 析出氫化物時(shí)體積膨脹14%，局部應(yīng)力場使氫化物的 取向呈放射狀，在溫度梯度作用下，氫不斷從內(nèi)壁向外壁 擴(kuò)散，并在內(nèi)壁造成裂紋，促使氫化物缺陷向外擴(kuò)展，在 包殼外壁形成突起和鼓包。 在功率變化時(shí)，包殼受到拉應(yīng)力，這些脆弱的鼓包就 會破裂，導(dǎo)致燃料棒破損。這就是內(nèi)氫化破壞。 45 圖5-3 內(nèi)氫化破損（Sunburst） 46 消除內(nèi)氫化破損的措施如下： （1

26、）提高燃料芯塊的密度（94-95%TD），減少開口孔率，降低芯塊吸水量。 （2）芯塊裝管時(shí)應(yīng)經(jīng)高溫真空除氣和干燥處理，嚴(yán)格控制芯塊吸水量。 （3）限制芯塊中氟雜質(zhì)含量，鋯管內(nèi)壁噴丸處理，使表面氟含量低于0.5g/cm2， 以防氟等雜質(zhì)釋放，擊穿氧化膜。 （4）用吸氣劑吸收殘留在燃料棒里的氫。 （5）鋯管內(nèi)壁涂層石墨（如重水堆）。 47 氫化鋯的應(yīng)力再取向 氫化物的析出方向不僅與織構(gòu)有關(guān)，在有應(yīng)力的情況下，還與 應(yīng)力方向有關(guān)： 在拉應(yīng)力的狀況下，氫化物析出方向與拉應(yīng)力垂直。 在壓應(yīng)力的狀況下，氫化物析出方向與壓應(yīng)力平行。 這種在應(yīng)力狀態(tài)下發(fā)生的氫化物重新分布的現(xiàn)象，稱為應(yīng)力再 取向。 48 3

27、鋯合金輻照生長 輻照生長是在沒有應(yīng)力的情況下，由于快中子輻照，使 晶體在某個(gè)特定的方向上伸長，其他方向上收縮，體積不 變的現(xiàn)象。 鋯合金在常溫下為密排六方晶系，具有明顯的各向異 性。對于鋯單晶，當(dāng)受到快中子輻照時(shí)，在a向伸長， 在c向縮短。 輻照生長與快中子注量有一定的關(guān)系，與溫度無關(guān)， 可以用經(jīng)驗(yàn)公式表示； 式中 A 常數(shù)； 單位時(shí)間快中子注量； t 輻照時(shí) 間。 n tALL)( 49 由于鋯包殼管是多晶體，存在加工織構(gòu)，晶粒 有擇優(yōu)取向，合適的加工制度可以得到接近徑向 基極織構(gòu)，如圖5-4所示?？梢灶A(yù)料，這種管材經(jīng) 中子輻照后軸向會伸長，壁厚和直徑方向減小， 造成燃料棒彎曲失效。因此輻照

28、生長造成的畸變 是反應(yīng)堆燃耗極限的一個(gè)因素。 實(shí)驗(yàn)表明，輻照生長與冷加工量、雜質(zhì)含量、 輻照通量以及輻照溫度都有關(guān)。冷加工的生長量 與輻照積分通量成線性關(guān)系，溫度越高，變形量 越大。退火材料的變形速率比較低，但當(dāng)積分通 量達(dá)到31025n/m2時(shí)，發(fā)生轉(zhuǎn)折，轉(zhuǎn)折后的斜 率與冷加工的相似。 50 圖5-4 中子輻照下鋯合金包織構(gòu) 與輻照生長示意 51 4 力學(xué)性能變化 燃料棒包殼管在堆內(nèi)工作時(shí)承受一定的應(yīng)力，同時(shí)包殼平均工作溫度為370 （壓水堆）。包殼管材料在高溫下應(yīng)有高的強(qiáng)度極限和屈服極限，有高的周向塑性 及較低的蠕變速率。 按照元件設(shè)計(jì)準(zhǔn)則要求，在整個(gè)壽期內(nèi)燃料棒包殼不發(fā)生蠕變倒塌，包殼應(yīng)

29、力低 于鋯合金的屈服強(qiáng)度，包殼的周向應(yīng)變應(yīng)低于1%。 52 4 力學(xué)性能變化 （1） 拉伸性能 快中子輻照使鋯合金發(fā)生強(qiáng)化和脆化。即抗拉和屈服強(qiáng)度提高而延伸率和斷面 收縮率下降。當(dāng)快中子注量達(dá)到5102425n/cm2后，強(qiáng)度和延性達(dá)到飽和，同時(shí) 延伸率迅速下降，從20%降至24%，見圖5-5。飽和值與熱處理狀態(tài)無關(guān)。在高 的快中子注量下，極限強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度逐步接近。影響拉伸性能的因素有冷加工度、 織構(gòu)、晶粒度和氫含量。 53 力學(xué)性能的變化 54 55 （2） 輻照誘導(dǎo)蠕變 中子輻照使鋯合金的蠕變加速。由于輻照蠕變的機(jī)制比較復(fù)雜，不能用一個(gè) 機(jī)制來解釋。在輻照積分通量達(dá)到一定量時(shí)會發(fā)生蠕變坍

30、塌，形成環(huán)脊。中子輻照 對再結(jié)晶退火材料的蠕變性能影響不大，而對冷加工材料影響較大。 56 5 芯塊與包殼相互作用PCI 芯塊與包殼相互作用是燃料棒壽命的限制 因素之一。 a.芯塊與包殼機(jī)械相互作用PCMI 機(jī)械相互作用引起包殼管長度和直徑的變化， 以及使包殼管在芯塊間的界面處形成環(huán)脊。 （1）軸向變形軸向變形的棘輪機(jī)制； （2）徑向變形環(huán)脊（竹節(jié)狀）效應(yīng)。 b.芯塊與包殼化學(xué)相互作用PCCI 侵蝕性裂變產(chǎn)物引發(fā)的包殼腐蝕和應(yīng)力腐蝕 開裂 57 （1）軸向變形-棘輪機(jī)制 燃料棒在出廠時(shí)，芯塊與包殼間留有間隙。運(yùn)行初期，芯塊與包殼各 自按其熱膨脹系數(shù)而伸長，但是不久芯塊由于熱應(yīng)力而開裂，使間隙變

31、小， 導(dǎo)熱性能得到改善。繼續(xù)運(yùn)行，到一定的燃耗，芯塊與包殼發(fā)生接觸。這 時(shí)，由于芯塊熱膨脹量大，使包殼承受拉應(yīng)力，包殼對芯塊的作用力又使 芯塊進(jìn)一步開裂，當(dāng)它們貼緊后之間的摩擦力足夠大時(shí)，包殼就會隨芯塊 一起伸長，當(dāng)功率下降時(shí)，芯塊柱與包殼脫開，芯塊因重力落下。下次功 率提升時(shí)，芯塊還能再次引起包殼伸長，而每次都有一定的塑性變形，這 就是燃料棒軸向變形的棘輪機(jī)制。 58 （2）徑向變形形成環(huán)脊 燃料芯塊是有限長的圓柱體，在溫度梯度下，芯塊中心溫度明顯地比外圍高，因此芯塊發(fā)生熱膨脹變形 而呈砂漏形，當(dāng)芯塊與包殼貼緊后，燃料棒外觀出現(xiàn)環(huán)脊（竹節(jié)狀）環(huán)脊位置在兩個(gè)芯塊的界面上，該處 是包殼應(yīng)力最集中

32、的地方，往往造成破裂， 59 圖5-6 二氧化鈾芯塊徑向開裂 60 圖5-7 燃料芯塊與包殼之間的機(jī)械相互作用 芯塊與包殼機(jī)械相互作用PCMI 61 圖5-8 包殼管的應(yīng)力腐蝕開裂 b.芯塊與包殼化學(xué)相互作用PCCI 62 SCC的初期（輻照后檢驗(yàn)） 63 SCC斷口形貌 64 5.1.4 失水條件下鋯合金包殼的行為 失水事故LOCA（Loss of Coolant Accident）發(fā)生后，冷卻劑從破口噴出， 堆內(nèi)壓力迅速下降，包殼管處于內(nèi)壓鼓脹的張力狀態(tài)，同時(shí)包殼管溫度上升，使包 殼溫度很快達(dá)到最高值。研究這些問題對燃料棒失水事故時(shí)的安全分析和輕水堆危 急冷卻系統(tǒng)驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)的制定提供了依據(jù)。

33、 失水條件下，包殼管承受高溫、高內(nèi)壓和蒸汽氧化的苛刻作用，使包殼管發(fā)生高 溫氧化、脆化和鼓脹變形。 65 1 高溫氧化 失水事故中，鋯合金與水蒸汽發(fā)生反應(yīng)： 222 22ZrH OZrOHQ 每克參與反應(yīng)的鋯放出1550卡熱量，同時(shí)放出大量的氫。 鋯-水反應(yīng)符合拋物線規(guī)律，表達(dá)式為： tKW p 2 W 單位面積上參與反應(yīng)的鋯的重量； 反應(yīng)時(shí)間； t p K 氧化速率常數(shù)，它與溫度有關(guān)。 0 exp pp Q KK RT 66 0p K Q R T 常數(shù) 反應(yīng)激活能 氣體常數(shù) 反應(yīng)溫度 K 通過測定不同溫度下的氧化速率常數(shù)KP，可計(jì)算出鋯的 氧化量，釋放的熱量和氫氣量。這些數(shù)據(jù)是制定危急 冷卻

34、系統(tǒng)驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)的重要依據(jù)。 0 exp pp Q KK RT 67 圖5-9 經(jīng)雙側(cè)蒸汽氧化（1400 2分鐘）Zr-4管壁的橫截 面金相 68 2 脆化 失水事故后，包殼承受多種應(yīng)力，其中最主要 的是在危急冷卻系統(tǒng)注水淹沒活性區(qū)時(shí)，由于急 冷，包殼中產(chǎn)生的淬火應(yīng)力。 蒸汽氧化時(shí)，鋯包殼內(nèi)氧化膜和富氧 -鋯相 含氧量很高，是脆性相，只有高溫時(shí)的-鋯是延 性的，它冷卻后轉(zhuǎn)變?yōu)?-鋯相，仍保留一定的 延性。所以，氧化后包殼的延性取決于包殼中高 溫存在的相份額，即Fw。 w F w 高溫時(shí) 相的厚度 包殼厚度 69 由于包殼管的延性直接與Fw值有關(guān)，即與氧化膜和富氧-鋯脆性相總厚度有關(guān)， 總厚度與時(shí)間

35、的關(guān)系符合拋物線規(guī)律： t -時(shí)間 -常數(shù)，與反應(yīng)溫度有關(guān)。 1 2 t 70 3 高溫脹破 失水條件下，鋯包殼管發(fā)生脹破，就會堵塞 一部分冷卻劑流道， 這是研究脹破行為的主要目 的。 燃料包殼管在失水條件下為雙軸應(yīng)力狀態(tài)， 通過內(nèi)壓爆破試驗(yàn)研究爆破溫度和內(nèi)壓對周向應(yīng) 變的影響規(guī)律，周向應(yīng)變是發(fā)生可能的流道堵塞 的必要條件。 （1）爆破溫度對周向應(yīng)變的影響（見圖5-10） 在非氧化性氣氛（氬氣）和在蒸汽氧化氣氛 中，在 + 雙相區(qū)溫度范圍內(nèi)進(jìn)行爆破試驗(yàn)， 周向應(yīng)變均明顯減小。但在所有試驗(yàn)溫度范圍內(nèi)， 氧化氣氛的試驗(yàn)中其周向應(yīng)變比非氧化氣氛的試 驗(yàn)數(shù)據(jù)小，這是氧化和脆化的結(jié)果。 71 圖5-10

36、 Zr-4管氬氣和蒸汽中的應(yīng)力破裂試驗(yàn)結(jié)果：最大周向應(yīng) 變與溫度曲線 72 （2）爆破壓力對周向應(yīng)變的影響 圖5-11 表示鋯-4合金包殼管的爆破溫度與爆破壓力的關(guān)系，爆破溫度越高， 爆破壓力越小。 圖5-12 表示周向應(yīng)變與爆破壓力的關(guān)系，在低壓或高壓爆破時(shí)分別對應(yīng)的 爆破溫度在或相區(qū)，周向應(yīng)變較大；而在中等壓力爆破時(shí)，對應(yīng)于雙相區(qū)溫度范 圍內(nèi)，其周向應(yīng)變較小。 73 圖5-11 Zr-4包殼管的爆破溫度與爆 破壓力的關(guān)系曲線 74 圖5-12 周向應(yīng)變與內(nèi)壓的關(guān)系 75 （3）冷卻劑流道堵塞份額與周向應(yīng)變 包殼鼓脹侵占的面積與原始流道面積之比定 義為冷卻劑流道堵塞份額，用FA表示： 式中 d0， d為鼓脹前后的棒徑；P 為棒柵距。 周向應(yīng)變?yōu)? 0 =（dd0）/d0 同樣，在雙相區(qū)范圍內(nèi)進(jìn)行爆破時(shí)，F(xiàn)A較??； 多棒束要比單棒FA的實(shí)驗(yàn)值低。這是因?yàn)楣拿洸?可能同時(shí)發(fā)生在同一斷面上的緣故。所以包殼管 溫度和內(nèi)壓是影響流道堵塞份額的重要因素。 2 2220 0 / 44 A d FddP 76 堆芯應(yīng)急冷卻系統(tǒng)驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)要點(diǎn)如下： a. 峰值包殼溫度小于1200 b. 最大包