核电厂材料 chapter05 包壳材料 pa

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1、龙斌教授ChinaInstituteofAtomicEnergy,102413,Beijing,China核电厂材料MaterialsforNuclearPowerPlants中国核工业研究生院重水堆电站CANDU运行操纵人员基础理论培训北京，2018ChinaInstituteofAtomicEnergy,102413,Beijing,China核电厂材料MaterialsforNuclearPowerPlants第五章包壳材料Claddingpart2锆-4合金的性能5.3锆合金具有小的中子吸收截面；具有良好的抗辐照损伤能力，并且在快中子辐照下不产生强的长寿命核

2、素具有良好的抗腐蚀性能，不与二氧化铀燃料反应，与高温水相容性好具有好的强度、塑性及蠕变性能；熔点高；好的导热性能及低的线膨胀系数；工艺性能好，易于加工和焊接存在织构有吸氢和氢脆问题，氢化物的析出方向与织构和应力有关，并会影响锆-4合金包壳管的堆内性能高温下与氧反应，应限制在400oC以下使用在高温下发生锆水反应，产生氢气优点缺点CANDU堆燃料棒束包壳：Zr-4合金5.3锆合金CANDU6型重水堆燃料棒束：UO2芯块；锆包壳；石墨中间层；端塞；隔离块；支承垫；端板锆合金包壳管的制造工艺5.3锆合金锆铪分离合金熔炼挤压成管胚冷加工（冷轧）最终退火表面处理成品管检验与试

3、验碘化法（实际是采用氯化进行分离）将海绵锆制成自耗电极，真空冶炼挤压成厚壁管采用Pilger轧机，冷轧成薄壁管去应力退火或再结晶退火BWR：化学抛光，预制氧化膜；PWR：机械抛光非破坏检验和破坏检验锆合金包壳管的制造工艺锆铪分离合金熔炼挤压成管胚冷加工（冷轧）最终退火表面处理成品管检验与试验碘化法5.3锆合金锆合金包壳管的制造工艺锆铪分离合金熔炼挤压成管胚冷加工（冷轧）最终退火表面处理成品管检验与试验海绵锆按比例加入合金元素后压制成块，然后焊接成棒，做成自耗电极，在真空电弧炉中熔炼成锭5.3锆合金锆合金包壳管的制造工艺锆铪分离合金熔炼挤压成管胚冷加工（冷轧）最终退火

4、表面处理成品管检验与试验在500~700oC，相区，在液压机上将胚料通过模具挤压成厚壁管5.3锆合金锆合金包壳管的制造工艺锆铪分离合金熔炼挤压成管胚冷加工（冷轧）最终退火表面处理成品管检验与试验在皮尔格(Pilger)轧机上冷轧，逐渐将厚壁管拉拔成薄壁管。为了消除管材的冷加工硬化，采用中间退火。该工序是包壳管制备最重要的工序之一5.3锆合金锆合金包壳管的制造工艺锆铪分离合金熔炼挤压成管胚冷加工（冷轧）最终退火表面处理成品管检验与试验为了获得取向为切向（周向）的氢化物，以减少氢化物析出对力学性能的影响，管壁厚度的变形量必须大于直径的变形量，而且要求使晶粒的基极取向

5、接近径向5.3锆合金锆合金包壳管的制造工艺锆铪分离合金熔炼挤压成管胚冷加工（冷轧）最终退火表面处理成品管检验与试验450~500oC消除应力退火或600oC以上再结晶退火包壳管的最后处理：BWR：化学抛光+高压釜预生致密氧化膜PWR：机械抛光+堆内形成氧化膜非破坏检验：肉眼观察、表面光洁度分析、管子长度与垂直度检查、测量内径与外径、测量壁厚、超声波无损探伤破坏性检验：化学分析、机械性能测试、内压试验、显微组织及氢化物取向分析锆合金包壳管的堆内行为表面腐蚀：分为均匀腐蚀和非均匀腐蚀均匀腐蚀Zr+2H2O→ZrO2+4H在氧化动力学曲线上有一从幂函数关系型到直线型的“转

6、折点”，在此点之前，在锆表面生成黑色、致密、呈保护性的非化学计量的氧化锆（膜厚2~3m），分子式为ZrO2-x；在转折点后所生成的氧化膜变为白色（50~60m）、疏松的非保护性的化学计量ZrO2，该膜容易呈薄片状剥落。锆合金的氧化动力学曲线5.3锆合金表面腐蚀N的存在会加速腐蚀，N<0.004%中子辐照对锆合金腐蚀有加速作用，出现白色膜是锆合金结构件因腐蚀事故而报废的标志当燃耗接近40，000~50，000MWd/tU时，氧化膜的厚度可达50~60m，已接近包壳壁厚的10%锆合金的氧化动力学曲线美国国家标准“固定式压水堆燃料元件设计准则”规定：寿期末，燃料元

7、件包壳最大腐蚀深度应低于壁厚的10%5.3锆合金锆合金包壳管的堆内行为非均匀腐蚀（局部腐蚀）疖状腐蚀（Nodularcorrosion)疖状腐蚀是沸水堆燃料元件及元件盒中的常见现象，在PWR中也有出现。常在富氧水质下发生；形貌是白色氧化膜（ZrO2）园斑，其直径可达0.5mm或更大，深度可达10-100m；改进Zr-4的疖状腐蚀5.3锆合金锆合金包壳管的堆内行为5.3锆-4合金缝隙腐蚀常发生在包壳管与定位格架接触部位的缝隙处。该处水流阻力大，流速慢，在热流作用下，此处水质发生变化，冷却水中碱性离子浓度增加，局部pH值升高，引起严重碱蚀；腐蚀深度随着燃耗加深而增