反應(yīng)堆用材料

反應(yīng)堆用材料第1頁(yè)/共77頁(yè)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(zhǎng)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。第2頁(yè)/共77頁(yè)35.1包殼材料簡(jiǎn)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)異的高溫性能和價(jià)格優(yōu)勢(shì)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(dòng)力堆無(wú)論是沸水堆、壓水堆，還是重水堆都用鋯合金作包殼。第3頁(yè)/共77頁(yè)41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)堆以及CARR堆。常用的鋁合金牌號(hào)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。

第4頁(yè)/共77頁(yè)52鎂及其合金鎂的中子吸收截面是鋁的1/4，對(duì)中子的經(jīng)濟(jì)性來(lái)說(shuō)是很理想的材料，但鎂在高溫下會(huì)與二氧化碳起作用而被氧化。在冶金及生產(chǎn)上的問(wèn)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（MagnoxAl-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(guó)的用石墨作慢化劑，二氧化碳為冷卻劑,金屬鈾為燃料的動(dòng)力堆中作為燃料元件的包殼，可用至5000MWd/tU。第5頁(yè)/共77頁(yè)63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(dòng)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。第6頁(yè)/共77頁(yè)75.1.2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(jiàn)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-2合金的三分之一到二分之一。第7頁(yè)/共77頁(yè)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α相，密排六方結(jié)構(gòu)（HCP）

1135K到2125K為β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%第8頁(yè)/共77頁(yè)9

鋯的性能（6）有些性能與加工的原始狀態(tài)及過(guò)程有關(guān)；

a.存在織構(gòu)，織構(gòu)與拉拔過(guò)程有關(guān)，不能通過(guò)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(huì)影響鋯的性能，而氫化物析出的方向和分布與織構(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(duì)鋯的抗氧化性能和抗腐蝕性能影響也很顯著。第9頁(yè)/共77頁(yè)105.2.2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-12.5----Zr-21.2-1.70.07-0.20.03-0.080.05-0.15-Zr-41.2-1.70.18-0.24-0.07-0.13-Zr-1Nb----1.1Zr-2.5Nb----2.4-2.8第10頁(yè)/共77頁(yè)11表5-2*鋯合金的常用機(jī)械性能：合金名稱強(qiáng)度極限（MPa）屈服極限（MPa）延伸率（%）碘化法鋯#180-27050-13030-50Zr-2合金##（20oC）700,510,450527,422,35212,16,28

（340oC）28022520Zr-4合金（RT）75558923

（385℃）45036325Zr-1Nb合金320-380180-25028-40Zr-2.5Nb合金400-480280-35022-25第11頁(yè)/共77頁(yè)12*表5-2的數(shù)據(jù)擇自原子能出版社的“核動(dòng)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。第12頁(yè)/共77頁(yè)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”。第13頁(yè)/共77頁(yè)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)楹a量增高會(huì)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(guò)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。第14頁(yè)/共77頁(yè)15（3）Zr-4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350oC水中和400oC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(lái)的0.05%降低到0.007%，而鐵含量由原來(lái)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?jī)H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。第15頁(yè)/共77頁(yè)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(zhǎng)壽命核素；3）具有良好的抗腐蝕性能，不與二氧化鈾燃料反應(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℃（α→β）；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(duì)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(wèn)題，氫化物的析出方向會(huì)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。第16頁(yè)/共77頁(yè)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β相中的固溶度很大，由于鈮和鋯有相同的晶體點(diǎn)陣，原子半徑也很接近，可以形成一系列固溶體，可以通過(guò)β/α的相變，及時(shí)效硬化處理提高鋯合金的強(qiáng)度，相變過(guò)程按貝氏體-馬氏體機(jī)理和彌散硬化機(jī)理進(jìn)行。第17頁(yè)/共77頁(yè)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(dòng)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。第18頁(yè)/共77頁(yè)19新鋯合金20世紀(jì)90年代以來(lái)，為了提高壓水堆燃料元件的性能，增加燃耗。各國(guó)都開(kāi)發(fā)研制了新型的鋯合金。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(lái)鋯合金的基礎(chǔ)上取得了突破我國(guó)開(kāi)發(fā)了N18，N36,NZ2，NZ8等合金；法國(guó)開(kāi)發(fā)了M4，M5合金；美國(guó)開(kāi)發(fā)了ZIRLO合金；俄羅斯開(kāi)發(fā)了E635合金；日本開(kāi)發(fā)了NDA合金，韓國(guó)開(kāi)發(fā)了HANA合金。第19頁(yè)/共77頁(yè)20新鋯合金N18合金Sn1.06%,Nb0.36%,Fe0.30%,O1000-1500μg/gN36合金Sn1%,Nb1%,Fe0.31%,O1000-1500μg/gNZ2合金Sn1.0%,Nb0.3%,Fe0.3%,Cr0.1%NZ8合金Sn1.0%,Nb1.0%,Fe0.3%第20頁(yè)/共77頁(yè)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第21頁(yè)/共77頁(yè)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(zhǎng)能力。減少吸氫量第22頁(yè)/共77頁(yè)23與鋯-4相比較與Zr-4相比ZIRLO合金在高溫水和含70μg/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(zhǎng)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(zhǎng)比鋯-4合金減少2倍。第23頁(yè)/共77頁(yè)24我國(guó)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(guò)熱蒸汽中長(zhǎng)期腐蝕沒(méi)有出現(xiàn)癤狀腐蝕現(xiàn)象。第24頁(yè)/共77頁(yè)25鋯合金包殼管的制造工藝第25頁(yè)/共77頁(yè)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

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壓制塊，進(jìn)行燒結(jié)

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將壓塊接到自耗電極上

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真空自耗（或電?。┤蹮挘ǘ沃厝坭T錠）

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鍛成一定尺寸的棒料，進(jìn)行熱處理

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鍛棒切成定尺長(zhǎng)的坯料

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加熱穿孔或機(jī)加工鉆孔，制成空心管坯，管坯包銅套

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加熱擠壓使空心管坯成為厚壁管（套筒或套管）

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在皮爾式機(jī)床上進(jìn)行冷軋（預(yù)先除銅套或不除）

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酸洗，檢驗(yàn)表面質(zhì)量

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中間熱處理

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最終軋制到成品管尺寸

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除油，酸洗

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完工熱處理

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矯直

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管子表面精整

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成品管試驗(yàn)與檢驗(yàn)

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管子包裝第27頁(yè)/共77頁(yè)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。

ZrZrCl4

Zr+MgCl2海綿鋯關(guān)鍵工藝：（1）鋯鉿分離第28頁(yè)/共77頁(yè)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）合金的熔煉第29頁(yè)/共77頁(yè)30用熱壓力加工或機(jī)加工的方法制成管坯

在500-700OC的α相區(qū)內(nèi)，在液壓機(jī)上使坯料通過(guò)模具。為了防止吸氣和提高潤(rùn)滑效果，在坯料外包銅套，通過(guò)擠壓成為厚壁管。關(guān)鍵工藝：（3）擠壓成管坯

第30頁(yè)/共77頁(yè)31

在Pilger軋機(jī)上進(jìn)行加工，逐漸冷軋成薄壁管。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(guò)程中最重要的工序之一。（參見(jiàn)圖５－１）

關(guān)鍵工藝：（4）冷加工第31頁(yè)/共77頁(yè)32圖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)榍邢虻臍浠铩５?2頁(yè)/共77頁(yè)33（4）冷加工

為了獲得取向?yàn)榍邢虻臍浠?，以減少氫化物析出對(duì)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α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：第33頁(yè)/共77頁(yè)34按包殼管的要求來(lái)選擇退火制度?？蛇x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

第34頁(yè)/共77頁(yè)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。第35頁(yè)/共77頁(yè)36

非破壞性檢驗(yàn)：肉眼檢查、表面光潔度分析、管子的長(zhǎng)度與垂直度檢查、測(cè)量?jī)?nèi)徑與外徑、測(cè)量壁厚，以及超聲波無(wú)損探傷試驗(yàn)。破壞性檢驗(yàn)：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)第36頁(yè)/共77頁(yè)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2-3μm。出現(xiàn)轉(zhuǎn)折時(shí)，膜變成灰色，然后當(dāng)膜厚增至50-60μm時(shí)變成白色。這種形狀的膜具有化學(xué)劑量的分子式，它是疏松的易剝落的。第37頁(yè)/共77頁(yè)38圖5-2Zr-2和Zr-4合金的腐蝕動(dòng)力學(xué)曲線示意圖第38頁(yè)/共77頁(yè)39（2）非均勻腐蝕主要有癤狀腐蝕（NodularCorrosion），它是沸水堆中常見(jiàn)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)10-100μm，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(jiàn)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(dòng)，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。嚴(yán)重的非均勻腐蝕行為也會(huì)影響燃料棒壽命。第39頁(yè)/共77頁(yè)402吸氫與氫脆鋯合金包殼管的氫來(lái)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。第40頁(yè)/共77頁(yè)41

室溫下氫在鋯中固溶度很小，當(dāng)超過(guò)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(huì)使強(qiáng)度和延性大大下降?？棙?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)?shù)乃苄?。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(wèn)題。第41頁(yè)/共77頁(yè)42壓水堆低燃耗的包殼中的氫化鋯第42頁(yè)/共77頁(yè)43壓水堆高燃耗的包殼中的氫化鋯第43頁(yè)/共77頁(yè)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(zhǎng)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(guò)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(chǎng)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(huì)破裂，導(dǎo)致燃料棒破損。這就是內(nèi)氫化破壞。第44頁(yè)/共77頁(yè)45圖5-3內(nèi)氫化破損（Sunburst）第45頁(yè)/共77頁(yè)46消除內(nèi)氫化破損的措施如下： （1）提高燃料芯塊的密度（94-95%TD），減少開(kāi)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0.5μg/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）。第46頁(yè)/共77頁(yè)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。第47頁(yè)/共77頁(yè)483鋯合金輻照生長(zhǎng)

輻照生長(zhǎng)是在沒(méi)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(zhǎng)，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(duì)于α鋯單晶，當(dāng)受到快中子輻照時(shí)，在a向伸長(zhǎng)，在c向縮短。輻照生長(zhǎng)與快中子注量有一定的關(guān)系，與溫度無(wú)關(guān)，可以用經(jīng)驗(yàn)公式表示；

式中A常數(shù)；φ單位時(shí)間快中子注量；t輻照時(shí)間。

第48頁(yè)/共77頁(yè)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(huì)伸長(zhǎng)，壁厚和直徑方向減小，造成燃料棒彎曲失效。因此輻照生長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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3×1025n/m2時(shí)，發(fā)生轉(zhuǎn)折，轉(zhuǎn)折后的斜率與冷加工的相似。第49頁(yè)/共77頁(yè)50圖5-4中子輻照下鋯合金包織構(gòu)與輻照生長(zhǎng)示意第50頁(yè)/共77頁(yè)514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)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%。第51頁(yè)/共77頁(yè)524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5×1024～25n/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2～4%，見(jiàn)圖5-5。飽和值與熱處理狀態(tài)無(wú)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。第52頁(yè)/共77頁(yè)53力學(xué)性能的變化第53頁(yè)/共77頁(yè)54第54頁(yè)/共77頁(yè)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(lái)解釋。在輻照積分通量達(dá)到一定量時(shí)會(huì)發(fā)生蠕變坍塌，形成環(huán)脊。中子輻照對(duì)再結(jié)晶退火材料的蠕變性能影響不大，而對(duì)冷加工材料影響較大。第55頁(yè)/共77頁(yè)565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(zhǎng)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(kāi)裂第56頁(yè)/共77頁(yè)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(zhǎng)，但是不久芯塊由于熱應(yīng)力而開(kāi)裂，使間隙變小，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(duì)芯塊的作用力又使芯塊進(jìn)一步開(kāi)裂，當(dāng)它們貼緊后之間的摩擦力足夠大時(shí)，包殼就會(huì)隨芯塊一起伸長(zhǎng)，當(dāng)功率下降時(shí)，芯塊柱與包殼脫開(kāi)，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(zhǎng)，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。第57頁(yè)/共77頁(yè)58（2）徑向變形—形成環(huán)脊

燃料芯塊是有限長(zhǎng)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)力最集中的地方，往往造成破裂，第58頁(yè)/共77頁(yè)59圖5-6二氧化鈾芯塊徑向開(kāi)裂第59頁(yè)/共77頁(yè)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第60頁(yè)/共77頁(yè)61圖5-8包殼管的應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂b.芯塊與包殼化學(xué)相互作用PCCI

第61頁(yè)/共77頁(yè)62SCC的初期（輻照后檢驗(yàn)）第62頁(yè)/共77頁(yè)63SCC斷口形貌第63頁(yè)/共77頁(yè)645.1.4失水條件下鋯合金包殼的行為

失水事故LOCA（LossofCoolantAccident）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(wèn)題對(duì)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)。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。第64頁(yè)/共77頁(yè)651高溫氧化失水事故中，鋯合金與水蒸汽發(fā)生反應(yīng)：

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：

單位面積上參與反應(yīng)的鋯的重量；——反應(yīng)時(shí)間；————氧化速率常數(shù)，它與溫度有關(guān)。第65頁(yè)/共77頁(yè)66－常數(shù)

－反應(yīng)激活能

－氣體常數(shù)

－反應(yīng)溫度K

通過(guò)測(cè)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)是制定危急冷卻系統(tǒng)驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)的重要依據(jù)。第66頁(yè)/共77頁(yè)67圖5-9經(jīng)雙側(cè)蒸汽氧化（1400℃2分鐘）Zr-4管壁的橫截面金相第67頁(yè)/共77頁(yè)682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(méi)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α-鋯相含氧量很高，是脆性相，只有高溫時(shí)的β-鋯是延性的，它冷卻后轉(zhuǎn)變?yōu)棣痢?鋯相，仍保留一定的延性。所以，氧化后包殼的延性取決于