第4講_包殼材料

1、包殼材料包殼材料鋯合金及合金化原理鋯合金及合金化原理包殼的堆內(nèi)性能包殼的堆內(nèi)性能引言引言n核燃料芯塊外面通常都有一層金屬保護(hù)層，即燃料包殼：核燃料芯塊外面通常都有一層金屬保護(hù)層，即燃料包殼：q保護(hù)燃料芯塊不受冷卻劑的侵蝕；保護(hù)燃料芯塊不受冷卻劑的侵蝕；q避免燃料中裂變產(chǎn)物外泄，使冷卻劑免受污染；避免燃料中裂變產(chǎn)物外泄，使冷卻劑免受污染；q保持燃料元件的幾何形狀并使之有足夠的剛度和機(jī)械強(qiáng)度保持燃料元件的幾何形狀并使之有足夠的剛度和機(jī)械強(qiáng)度。n包殼是反應(yīng)堆中工況最苛刻的重要部件。其工況條件為：包殼是反應(yīng)堆中工況最苛刻的重要部件。其工況條件為：q包容核燃料，承受高溫、高壓和強(qiáng)烈的中子輻照；包容核燃料

2、，承受高溫、高壓和強(qiáng)烈的中子輻照；q包殼內(nèi)壁受裂變氣體壓力、腐蝕、燃料腫脹、吸氫致脆和芯包殼內(nèi)壁受裂變氣體壓力、腐蝕、燃料腫脹、吸氫致脆和芯塊與包殼的相互作用等危害；塊與包殼的相互作用等危害；q包殼外壁受冷卻劑壓力、沖刷、振動(dòng)和腐蝕以及氫脆等威脅。包殼外壁受冷卻劑壓力、沖刷、振動(dòng)和腐蝕以及氫脆等威脅。減小元件破損率、保證包殼的完整性是提高元件燃耗、保證減小元件破損率、保證包殼的完整性是提高元件燃耗、保證反應(yīng)堆正常、高效和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的重要前提和主要制約因素。反應(yīng)堆正常、高效和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的重要前提和主要制約因素。對(duì)包殼材料的性能要求對(duì)包殼材料的性能要求n核性能：小的中子吸收截面，輻照穩(wěn)定性核性能：小的

3、中子吸收截面，輻照穩(wěn)定性q特別是熱中子堆或用天然鈾作燃料的反應(yīng)堆，對(duì)包殼材料中特別是熱中子堆或用天然鈾作燃料的反應(yīng)堆，對(duì)包殼材料中子吸收截面的限制十分嚴(yán)格。子吸收截面的限制十分嚴(yán)格。q對(duì)快中子堆，大多數(shù)元素的快中子吸收截面很小，選擇材料對(duì)快中子堆，大多數(shù)元素的快中子吸收截面很小，選擇材料的余地就較大。但對(duì)材料的、及耐蝕性的要求更為突出的余地就較大。但對(duì)材料的、及耐蝕性的要求更為突出q通常選用截面小于通常選用截面小于1巴的金屬為主要組分，吸收截面為數(shù)巴巴的金屬為主要組分，吸收截面為數(shù)巴的元素作為合金化元素，截面在幾十巴的雜質(zhì)的含量限制在的元素作為合金化元素，截面在幾十巴的雜質(zhì)的含量限制在量級(jí)。量

4、級(jí)。n機(jī)械性能：足夠的機(jī)械強(qiáng)度機(jī)械性能：足夠的機(jī)械強(qiáng)度(高溫強(qiáng)度高溫強(qiáng)度)n化學(xué)性能：抗腐蝕性能、與冷卻劑、裂變產(chǎn)物及燃料化學(xué)性能：抗腐蝕性能、與冷卻劑、裂變產(chǎn)物及燃料的相容性；的相容性；常見(jiàn)的包殼材料常見(jiàn)的包殼材料 n可作為包殼材料和堆內(nèi)結(jié)構(gòu)材料的金屬元素必須是低可作為包殼材料和堆內(nèi)結(jié)構(gòu)材料的金屬元素必須是低中子吸收截面的材料。根據(jù)它們的性能特點(diǎn)，各種材中子吸收截面的材料。根據(jù)它們的性能特點(diǎn)，各種材料的包殼用于不同的堆型。料的包殼用于不同的堆型。q如如Al和和Al合金用于低溫水冷堆；合金用于低溫水冷堆；q壓水堆中用壓水堆中用Zr合金合金(如如Zr-4, M5)，BWR用用Zr-2合金；合金；

5、qNb用于快中子堆。用于快中子堆。分分類類 低低熱熱中中子子截截面面( ( a 1 1 靶靶) ) 中中等等熱熱中中子子吸吸收收截截面面( ( a = =1 11 10 0 靶靶) ) 元元素素 Be Mg Zr Al Nb Fe Mo Cr Cu Ni V Ti 吸吸收收截截面面( (靶靶) ) 熔熔點(diǎn)點(diǎn)( () ) 0.009 1280 0.069 651 0.18 1845 0.22 660 1.1 2415 2.4 1539 2.4 2625 2.9 1850 3.6 1083 4.5 1455 5.1 1900 5.6 1670 一些金屬的中子吸收截面及熔點(diǎn)一些金屬的中子吸收截面及熔

6、點(diǎn) 鋯的物理性質(zhì)鋯的物理性質(zhì)n銀白色的金屬，熔點(diǎn)銀白色的金屬，熔點(diǎn)1845oC原原子子序序數(shù)數(shù) 40 原原子子量量 91.22 862 密密度度 (g/cm3) 6.5 密密排排六六方方 體體心心立立方方 熔熔點(diǎn)點(diǎn) ( ) 1845 a=0.323nm a=0.361nm 沸沸點(diǎn)點(diǎn) () ) 3852 晶晶體體結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu) c=0.514nm 熱熱膨膨脹脹系系數(shù)數(shù) (1/ ) 4.910-6 導(dǎo)導(dǎo)熱熱率率 (W/m ) 16.7 (125 ) 熱熱中中子子吸吸收收 截截面面 (靶靶 ) 0.18 金屬鋯的物理性質(zhì)金屬鋯的物理性質(zhì) 相相hcp 相相bcc862862o oC塑性比較差塑性比較差0.8

7、%0.8%體積變化體積變化延展性好，延展性好，冷加工變形冷加工變形達(dá)達(dá)8080鋯的化學(xué)性質(zhì)鋯的化學(xué)性質(zhì)n鋯是一種耐蝕性很強(qiáng)的金屬：鋯是一種耐蝕性很強(qiáng)的金屬：q鋯在室溫下不易氧化，但隨溫度升高，鋯在室溫下不易氧化，但隨溫度升高，易形成穩(wěn)定的氧化物易形成穩(wěn)定的氧化物q有很強(qiáng)的耐酸、堿能力有很強(qiáng)的耐酸、堿能力q在高溫水中的耐蝕性也很好。在高溫水中的耐蝕性也很好。q在氧化動(dòng)力學(xué)曲線上有一從拋物線型在氧化動(dòng)力學(xué)曲線上有一從拋物線型到直線型的到直線型的“轉(zhuǎn)折點(diǎn)轉(zhuǎn)折點(diǎn)”，在此點(diǎn)之前，在此點(diǎn)之前，在鋯表面生成黑色、致密、呈保護(hù)性在鋯表面生成黑色、致密、呈保護(hù)性的非化學(xué)計(jì)量的氧化鋯；在轉(zhuǎn)折點(diǎn)后的非化學(xué)計(jì)量的氧化

8、鋯；在轉(zhuǎn)折點(diǎn)后所生成的氧化膜則為白色所生成的氧化膜則為白色疏松的非疏松的非保護(hù)性的化學(xué)計(jì)量氧化鋯，易于呈薄保護(hù)性的化學(xué)計(jì)量氧化鋯，易于呈薄片狀剝落片狀剝落 樣品增重隨氧化時(shí)間樣品增重隨氧化時(shí)間的變化曲線稱氧化動(dòng)的變化曲線稱氧化動(dòng)力學(xué)曲線。用在一定力學(xué)曲線。用在一定溫度下樣品由于吸收溫度下樣品由于吸收氧而增加的重量代表氧而增加的重量代表氧化過(guò)程進(jìn)行的程度氧化過(guò)程進(jìn)行的程度（即樣品增重）。（即樣品增重）。鋯的氧化動(dòng)力學(xué)曲線鋯的氧化動(dòng)力學(xué)曲線 鋯的氧化腐蝕機(jī)理鋯的氧化腐蝕機(jī)理氧離子沿著膜中陰離子空位擴(kuò)散，穿過(guò)氧化膜到達(dá)金屬表面，而氧離子沿著膜中陰離子空位擴(kuò)散，穿過(guò)氧化膜到達(dá)金屬表面，而電子從金屬表面

9、向外運(yùn)動(dòng)，使氧化膜在金屬和氧化膜界面處生長(zhǎng)。電子從金屬表面向外運(yùn)動(dòng)，使氧化膜在金屬和氧化膜界面處生長(zhǎng)。二者平衡速度或氧離子與氧化物中空位的置換速度是腐蝕速度的二者平衡速度或氧離子與氧化物中空位的置換速度是腐蝕速度的控制因素?？刂埔蛩?。鋯合金的合金化目的鋯合金的合金化目的n鋯的性能很容易受雜質(zhì)的影響鋯的性能很容易受雜質(zhì)的影響q鋯與鉿鋯與鉿(Hf)的化學(xué)性質(zhì)很相近，而鉿的熱中子吸收截面的化學(xué)性質(zhì)很相近，而鉿的熱中子吸收截面(105靶靶) 遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于鋯，自然存在的鋯中鉿含量一般為大于鋯，自然存在的鋯中鉿含量一般為0.53.0，所以必須嚴(yán)格，所以必須嚴(yán)格控制鋯中的含鉿量，一般應(yīng)低于控制鋯中的含鉿量，一般

10、應(yīng)低于100ppm。q氮、碳、鈦、鋁等雜質(zhì)元素，即使是微量也對(duì)鋯的抗蝕性能的影氮、碳、鈦、鋁等雜質(zhì)元素，即使是微量也對(duì)鋯的抗蝕性能的影響也很顯著。其中以氮最為有害。響也很顯著。其中以氮最為有害。Zr的氧化是通過(guò)氧的擴(kuò)散進(jìn)行的氧化是通過(guò)氧的擴(kuò)散進(jìn)行的，氮離子的，氮離子(N3-)置換氧化鋯中的氧離子置換氧化鋯中的氧離子(O2-)，同時(shí)產(chǎn)生附加的空，同時(shí)產(chǎn)生附加的空位，增加了氧的擴(kuò)散速率，從而使氧化加劇，表現(xiàn)為大大縮短發(fā)位，增加了氧的擴(kuò)散速率，從而使氧化加劇，表現(xiàn)為大大縮短發(fā)生生“轉(zhuǎn)折轉(zhuǎn)折”的時(shí)間，加快氧化速度。的時(shí)間，加快氧化速度。n高純鋯有良好的抗蝕性，但對(duì)純度要求苛刻，價(jià)格昴貴，因此高純鋯有良

11、好的抗蝕性，但對(duì)純度要求苛刻，價(jià)格昴貴，因此工程中多降低對(duì)原料純度要求，通過(guò)合金化提高其抗蝕性和機(jī)工程中多降低對(duì)原料純度要求，通過(guò)合金化提高其抗蝕性和機(jī)械性能。械性能。鋯合金化的主要目的是抑制有害元素的作用。鋯合金化的主要目的是抑制有害元素的作用。 鋯的合金化原理鋯的合金化原理n錫錫Sn (Sn (鉭鉭Ta,鈮鈮Nb) )抑制氮等對(duì)鋯抗氧化性的危害抑制氮等對(duì)鋯抗氧化性的危害q置換置換Zr4+離子的離子的Sn3+與與N3-和和O2-空位的組合能量更低空位的組合能量更低;q最佳值的最佳值的Sn的加入量與的加入量與Zr中的氮含量有關(guān)中的氮含量有關(guān):n鐵鐵Fe,鎳鎳Ni,鉻鉻Cr延緩延緩Zr-Sn合金

12、在高溫水和水蒸汽中腐蝕合金在高溫水和水蒸汽中腐蝕“轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)折點(diǎn)折點(diǎn)”的開(kāi)始時(shí)間的開(kāi)始時(shí)間 qFe、Ni、Cr在在Zr中的溶解度很低，多以細(xì)小彌散分布的金屬間化中的溶解度很低，多以細(xì)小彌散分布的金屬間化合物狀態(tài)合物狀態(tài) (如如Fe3Zr)第二相對(duì)基體起強(qiáng)化作用第二相對(duì)基體起強(qiáng)化作用;n鈮鈮Nb 改善改善抗腐蝕性和機(jī)械性能；消除微量有害雜質(zhì)抗腐蝕性和機(jī)械性能；消除微量有害雜質(zhì)(如如C, Al, Ti)的作用；減小吸氫危害的作用；減小吸氫危害 氮含量（氮含量（ppmppm）220 300 600 700 800220 300 600 700 800最佳加錫量（）最佳加錫量（）0.5 1.0 2.0 2.

13、5 3.00.5 1.0 2.0 2.5 3.0鋯合金的發(fā)展鋯合金的發(fā)展1950s 1950s 以來(lái)以來(lái)Zr- 2 Zr- 2 、 Zr-4 Zr-4 、 Zr-1Nb Zr-1Nb 合金在商業(yè)合金在商業(yè)堆中用作燃料組件部件；堆中用作燃料組件部件；Zr-2.5NbZr-2.5Nb合金壓力管合金壓力管1980s 1980s 和和1990s1990s發(fā)展了低發(fā)展了低Sn Sn 含量含量Zr-4Zr-4合金，合金，同時(shí)推動(dòng)了新型鋯合金的發(fā)展同時(shí)推動(dòng)了新型鋯合金的發(fā)展ZIRLOZIRLO、E635 E635 （7070年代末）年代末） M4M4、M5 M5 （8080年代初）年代初）NDANDA、 E

14、LS ELS （8080年代末）年代末）N18N18、N36N36、HANG HANG （9090年代初）年代初）ZIRLOZIRLO、M5M5、E635E635已商業(yè)化已商業(yè)化N18N18、ELSELS、DNADNA、HANGHANG堆內(nèi)考驗(yàn)堆內(nèi)考驗(yàn) 代替代替Zr-4Zr-4或或Zr- 2Zr- 2合金合金國(guó)國(guó)際際上上鋯鋯合合金金的的發(fā)發(fā)展展鋯合金鋯合金幾種典型的鋯合金的成分幾種典型的鋯合金的成分 (wt%)(wt%)堆用鋯合金主要有堆用鋯合金主要有鋯錫合金鋯錫合金和和鋯鈮合金鋯鈮合金兩類：鋯合金的腐蝕、織兩類：鋯合金的腐蝕、織構(gòu)、吸氫和應(yīng)力腐蝕以及芯塊與包殼的相互作用構(gòu)、吸氫和應(yīng)力腐蝕以及

15、芯塊與包殼的相互作用(PCI)(PCI)等對(duì)機(jī)械性等對(duì)機(jī)械性能危害較大，它們是限制鋯合金使用壽命的重要影響因素。能危害較大，它們是限制鋯合金使用壽命的重要影響因素。鋯合金的性能鋯合金的性能Sn元素的截面元素的截面Neutron scattering lengths and cross sections同位素同位素豐度豐度 (%)Coh bInc bCoh xsInc xsScatt xsAbs xsSn-6.225-4.8710.0224.8920.626112Sn16.(1.)04.5(1.5)04.5(1.5)1114Sn0.76.204.804.80.114115Sn0.46.(1.)-

16、4.5(1.5)0.34.8(1.5)30.(7.)116Sn14.75.9304.4204.420.14117Sn7.76.48-5.280.35.62.3118Sn24.36.0704.6304.630.22119Sn8.66.12-4.710.352.2120Sn32.46.4905.2905.290.14122Sn4.65.7404.1404.140.18124Sn5.65.9704.4804.480.133鋯錫合金鋯錫合金Zr-1Zr-1Zr-2Zr-2Zr-4Zr-4ZrZrSnSn二元合金，抗腐蝕性能不能滿足工程需要二元合金，抗腐蝕性能不能滿足工程需要適當(dāng)降低適當(dāng)降低SnSn含量

17、，添加微量含量，添加微量Fe, Cr, NiFe, Cr, Ni元素元素抗腐蝕性得到改善，同時(shí)提高了機(jī)械強(qiáng)度抗腐蝕性得到改善，同時(shí)提高了機(jī)械強(qiáng)度盡量降低盡量降低NiNi含量到含量到200ppm200ppm以下，適量增加以下，適量增加FeFe減輕氫脆，吸氫量?jī)H為減輕氫脆，吸氫量?jī)H為1/31/21/31/2低錫低錫Zr-4Zr-4降低降低SnSn含量，適量增加含量，適量增加FeFe，CrCr元素元素改善水側(cè)腐蝕改善水側(cè)腐蝕鋯鈮合金鋯鈮合金nZr2.5Nb合金合金q較高的強(qiáng)度和低的蠕變速度較高的強(qiáng)度和低的蠕變速度q良好的抗吸氫脆化良好的抗吸氫脆化q適用于制造高強(qiáng)度壓力管適用于制造高強(qiáng)度壓力管q主要問(wèn)

18、題是焊縫耐蝕性惡化主要問(wèn)題是焊縫耐蝕性惡化(高溫破壞了強(qiáng)化相高溫破壞了強(qiáng)化相)nZr1Nb合金合金q強(qiáng)度和塑性與強(qiáng)度和塑性與Zr-2合金基本相同，耐蝕性略次合金基本相同，耐蝕性略次q吸氫量比吸氫量比 Zr-2合金小合金小q力學(xué)性能與氧含量有密切關(guān)系力學(xué)性能與氧含量有密切關(guān)系q俄羅斯用作俄羅斯用作PWR燃料包殼材料燃料包殼材料n新型新型Zr1Nb合金合金M5 法國(guó)法國(guó)Afa3G包殼材料包殼材料q增加氧作為合金化元素，起強(qiáng)化作用增加氧作為合金化元素，起強(qiáng)化作用q消除其它雜質(zhì)元素，降低腐蝕敏感性消除其它雜質(zhì)元素，降低腐蝕敏感性鋯錫鈮合金鋯錫鈮合金Zr-SnZr-SnZr-NbZr-NbZr-Sn-N

19、bZr-Sn-Nb適當(dāng)調(diào)整適當(dāng)調(diào)整SnSn、NbNb含量，含量，控制其它微量元素控制其它微量元素改善抗腐蝕性、氫脆，提高機(jī)械強(qiáng)度改善抗腐蝕性、氫脆，提高機(jī)械強(qiáng)度美美ZirloZirlo俄俄E635E635日日NDANDA1 1SnSn、1 1NbNb，微量微量OO元素元素增加增加SiSi元素，元素，F(xiàn)eFe元素低元素低FeFe元素高，元素高，用于強(qiáng)化用于強(qiáng)化以低錫以低錫Zr-4Zr-4為基礎(chǔ)，增加為基礎(chǔ)，增加0.1%Nb0.1%Nb元素用于強(qiáng)化元素用于強(qiáng)化中國(guó)鋯合金的發(fā)展中國(guó)鋯合金的發(fā)展Zr-2Zr-2、Zr-4Zr-4合金合金解決在工程應(yīng)用中遇到的特殊問(wèn)題解決在工程應(yīng)用中遇到的特殊問(wèn)題 如元

20、件包殼上的白點(diǎn)、白環(huán)、白條如元件包殼上的白點(diǎn)、白環(huán)、白條等等。基礎(chǔ)研究：織構(gòu)及氫化物取向分布、腐蝕基礎(chǔ)研究：織構(gòu)及氫化物取向分布、腐蝕 機(jī)理、熱處理與顯微組織及第二相等。機(jī)理、熱處理與顯微組織及第二相等。改進(jìn)型改進(jìn)型Zr-4Zr-4合金合金低低SnSn高高FeFe、Cr Cr 和工藝改進(jìn)和工藝改進(jìn)均勻均勻腐蝕、力學(xué)等性能不低于常規(guī)腐蝕、力學(xué)等性能不低于常規(guī)Zr-4Zr-4耐癤狀腐蝕性能優(yōu)于常規(guī)耐癤狀腐蝕性能優(yōu)于常規(guī) Zr-4Zr-4輻照考驗(yàn)輻照考驗(yàn)工程應(yīng)用工程應(yīng)用新型鋯合金新型鋯合金 Zr為基礎(chǔ)，多元少量 可選元素：Nb、Sn、Fe、Cr、Ni、Mo等 控制元素： C、N、Si、Al 成分設(shè)計(jì)

21、、探索試驗(yàn) 優(yōu)化主攻方向主攻方向 Zr-Sn-Nb系名義成分名義成分 N18 (NZ2) : Zr-1Sn-0.3Nb-0.3Fe-0.1Cr N36 (NZ8) : Zr-1Sn-1Nb-0.3Fe中國(guó)鋯合金的發(fā)展中國(guó)鋯合金的發(fā)展鋯合金的冶煉鋯合金的冶煉n原料：原料：q原子能級(jí)海綿鋯低原子能級(jí)海綿鋯低Hf高純鋯高純鋯q中間合金：添加的合金元素中間合金：添加的合金元素n工藝方法工藝方法q自耗電極真空熔煉，自耗電極真空熔煉，23次次n工藝流程工藝流程q混料混料壓制成塊壓制成塊組焊成一次熔煉電極組焊成一次熔煉電極一次真空一次真空自耗電弧熔煉自耗電弧熔煉底墊切割、平冒口底墊切割、平冒口組焊成二次熔組

22、焊成二次熔煉電極煉電極二次真空自耗電極熔煉二次真空自耗電極熔煉切割底墊、平冒切割底墊、平冒口口組焊成三次熔煉電極組焊成三次熔煉電極三次真空自耗電極熔煉三次真空自耗電極熔煉切割底墊、車光外表面切割底墊、車光外表面無(wú)損探傷無(wú)損探傷切除冒口切除冒口化學(xué)成分分析化學(xué)成分分析質(zhì)量評(píng)判質(zhì)量評(píng)判鋯合金的加工鋯合金的加工n鍛造鍛造q目的：改善鑄態(tài)組織、提高綜合性能目的：改善鑄態(tài)組織、提高綜合性能q鍛造溫度鍛造溫度:1050700oC， 相區(qū)或相區(qū)或 區(qū)區(qū)q工藝：加熱工藝：加熱鍛造鍛造冷卻冷卻車外圓車外圓檢驗(yàn)檢驗(yàn)n擠管擠管q工藝特點(diǎn)工藝特點(diǎn)n使金屬在三個(gè)方向上受壓，有利于金屬變形使金屬在三個(gè)方向上受壓，有利于金

23、屬變形n變形量大，能破碎粗大的鑄態(tài)晶粒，能制較薄管坯變形量大，能破碎粗大的鑄態(tài)晶粒，能制較薄管坯n如有較好的模具和潤(rùn)滑條件，可制出高精度管坯如有較好的模具和潤(rùn)滑條件，可制出高精度管坯q工藝流程工藝流程n鍛造坯鍛造坯扒皮扒皮無(wú)損探傷無(wú)損探傷切割定長(zhǎng)切割定長(zhǎng)鉆孔鉆孔潤(rùn)滑包套潤(rùn)滑包套(銅套、銅套、鍍銅、玻璃涂層鍍銅、玻璃涂層) 加熱加熱擠壓擠壓余熱余熱矯直矯直去包套去包套修正修正鋯合金的熱處理鋯合金的熱處理n 淬火淬火q鋯在鋯在862oC存在存在 與與 之間的相變之間的相變， 為密排六方結(jié)為密排六方結(jié)構(gòu)，構(gòu)， 相為體心立方結(jié)構(gòu)。常用的合金元素如相為體心立方結(jié)構(gòu)。常用的合金元素如Sn、Nb、Fe、Cr

24、、Ni等在等在 相中固溶度大，而在相中固溶度大，而在 相中相中小。小。q目的：使鍛造、擠壓后析出的第二相重新溶入目的：使鍛造、擠壓后析出的第二相重新溶入 相相中，通過(guò)快速冷卻使合金元素過(guò)飽和固溶在中，通過(guò)快速冷卻使合金元素過(guò)飽和固溶在 相中。相中。q工藝：加熱到工藝：加熱到1030103010501050oC，水淬，水淬n真空退火真空退火q鍛造或擠壓后的退火處理：鍛造或擠壓后的退火處理：530700oCq成品去應(yīng)力退火：低于成品去應(yīng)力退火：低于500oC鋯合金包殼材料存在的問(wèn)題鋯合金包殼材料存在的問(wèn)題 n高溫下的耐蝕性不足：高溫下的耐蝕性不足：360以上水中的耐蝕性差以上水中的耐蝕性差n氫脆氫

25、脆q鋯合金在運(yùn)行中吸氫而造成燃料包殼破壞是限制燃料元件使鋯合金在運(yùn)行中吸氫而造成燃料包殼破壞是限制燃料元件使用壽命的因素；用壽命的因素；n燃料芯塊與包殼的交互作用燃料芯塊與包殼的交互作用(PCI)及包殼的應(yīng)力腐蝕及包殼的應(yīng)力腐蝕破壞（破壞（SCC）n鋯合金的堆內(nèi)蠕變和輻照生長(zhǎng)。鋯合金的堆內(nèi)蠕變和輻照生長(zhǎng)。q鋯合金在壓水堆的運(yùn)行溫度下會(huì)發(fā)生蠕變，中子的輻照將使鋯合金在壓水堆的運(yùn)行溫度下會(huì)發(fā)生蠕變，中子的輻照將使蠕變加速，而且產(chǎn)生輻照生長(zhǎng)，造成包殼塌陷。蠕變加速，而且產(chǎn)生輻照生長(zhǎng)，造成包殼塌陷。n鋯水反應(yīng)鋯水反應(yīng)氫氣爆炸氫氣爆炸(1000 C)9222226.74 10 J/tUZrH OZrOH

26、 高溫水/水蒸氣鋯合金的腐蝕鋯合金的腐蝕(1)n均勻腐蝕均勻腐蝕q鋯合金在高溫純水和蒸汽中，鋯合金在高溫純水和蒸汽中，耐蝕性良好，但在高燃耗耐蝕性良好，但在高燃耗(50GWd/tU)下，氧化膜厚度下，氧化膜厚度增到增到5060m，伴生的應(yīng)力，伴生的應(yīng)力易使氧化膜破裂或剝落，所易使氧化膜破裂或剝落，所以包殼管的水側(cè)均勻腐蝕受以包殼管的水側(cè)均勻腐蝕受到重視。到重視。q溫度愈高，腐蝕加速轉(zhuǎn)折點(diǎn)溫度愈高，腐蝕加速轉(zhuǎn)折點(diǎn)出現(xiàn)的時(shí)間愈早，轉(zhuǎn)折點(diǎn)前出現(xiàn)的時(shí)間愈早，轉(zhuǎn)折點(diǎn)前后的腐蝕速率上升也愈快。后的腐蝕速率上升也愈快。鋯合金的腐蝕鋯合金的腐蝕(2)n局部腐蝕局部腐蝕q癤狀腐蝕癤狀腐蝕(Nodular Cor

27、rosion)n常在富氧水質(zhì)下發(fā)生。常在富氧水質(zhì)下發(fā)生。n形貌是白色氧化膜形貌是白色氧化膜(ZrO2)圓斑，其直徑可達(dá)圓斑，其直徑可達(dá)0.5mm或更大，斑或更大，斑點(diǎn)厚度達(dá)點(diǎn)厚度達(dá)10100mn癤狀腐蝕是沸水堆燃料元件及元件盒常見(jiàn)現(xiàn)象，在壓水堆中有癤狀腐蝕是沸水堆燃料元件及元件盒常見(jiàn)現(xiàn)象，在壓水堆中有時(shí)也出現(xiàn)時(shí)也出現(xiàn)q縫隙腐蝕縫隙腐蝕n常發(fā)生在包殼管與定位格架接觸部位的縫隙處。該處水流阻力常發(fā)生在包殼管與定位格架接觸部位的縫隙處。該處水流阻力大，流速很慢，在熱流作用下，此處水質(zhì)發(fā)生變化，冷卻水中大，流速很慢，在熱流作用下，此處水質(zhì)發(fā)生變化，冷卻水中堿性離子濃度增加，局部堿性離子濃度增加，局部p

28、H值升高，引起嚴(yán)重堿蝕。值升高，引起嚴(yán)重堿蝕。n腐蝕深度隨著燃耗加深而增加，嚴(yán)重的局部腐蝕也會(huì)影響燃料腐蝕深度隨著燃耗加深而增加，嚴(yán)重的局部腐蝕也會(huì)影響燃料元件的安全運(yùn)行和壽命。元件的安全運(yùn)行和壽命。 癤狀腐蝕斑的成核與長(zhǎng)大過(guò)程癤狀腐蝕斑的成核與長(zhǎng)大過(guò)程n鋯合金不同取向的晶粒（微區(qū)）鋯合金不同取向的晶粒（微區(qū)）氧化時(shí)，氧化時(shí)，氧化膜生長(zhǎng)的各向異性，導(dǎo)致黑色氧化膜內(nèi)，導(dǎo)致黑色氧化膜內(nèi)“腫塊腫塊”的形成，這就是癤狀腐蝕斑的的形成，這就是癤狀腐蝕斑的“核核”；n鋯氧化形成氧化鋯時(shí)體積發(fā)生膨脹，黑色氧化膜，黑色氧化膜“腫塊腫塊”擠擠壓金屬基體使其變形，促使其壓金屬基體使其變形，促使其生長(zhǎng)發(fā)展；生長(zhǎng)發(fā)展；n黑色氧化膜黑色氧化膜“腫塊腫塊”在在溫度和壓應(yīng)力作用下顯微組織發(fā)生演化，生成孔隙和裂紋，轉(zhuǎn)變?yōu)?，生成孔隙和裂紋，轉(zhuǎn)變?yōu)檎瘜W(xué)比的正化學(xué)比的ZrO2，成為癤狀腐，成為癤狀腐蝕白斑。蝕白斑。氧化膜生長(zhǎng)與晶面取向的關(guān)系氧化膜生長(zhǎng)與晶面取向的關(guān)系nBibb等（等（1964）用鋯單晶在）用鋯單晶在360高溫水中腐蝕后，得到腐蝕高溫水中腐蝕后，得到腐蝕轉(zhuǎn)折的時(shí)間是晶體取向的函數(shù)。轉(zhuǎn)折的時(shí)間是晶體取向的函