超临界水冷堆燃料包壳候选材料的腐蚀行为研究

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1、上海交通大学硕士学位论文超临界水冷堆燃料包壳候选材料的腐蚀行为研究硕士研究生：沈朝学号：1120209367导师：张乐福（副教授）副导师：徐雪莲（研究员级高工）申请学位：工学硕士学科：核能与核技术工程所在单位：机械与动力工程学院答辩日期：2015年1月授予学位单位：上海交通大学DissertationSubmittedtoShanghaiJiaoTongUniversityfortheDegreeofMasterCORROSIONBEHAVIOROFCANDIDATEFUELCLADDINGMATER

2、IALSFORSUPERCRITICALWATER-COOLEDREACTORCandidate：ZhaoSHENStudentID:1120209367Supervisor：Prof.Le-fuZHANGAssistantSupervisor:Prof.Xue-lianXUAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringNuclearEnergyandNuclearSpeciality：TechnologyEngineeringAffiliation：Scho

3、olofMechanicalEngineeringDateofDefence：Jan,2015Degree-Conferring-Institution：ShanghaiJiaoTongUniversityIIIIII上海交通大学硕士学位论文超临界水冷堆燃料包壳候选材料的腐蚀行为研究摘要超临界水冷堆(SCWR)同现有的轻水堆(LWR)相比具有结构简单，布局紧凑，热效率高等诸多优点，因此其被认为是最有可能用来大规模发电的四代概念堆型。然而，水在超过临界点（374℃，22.1MPa）之后，其对堆内结构材料

4、具有极强的腐蚀性。而在所有的堆内构件中，燃料包壳的工作条件最为苛刻。当前，人们对用于超临界火电厂、航空发动机、压水堆核电站、聚变堆以及快堆的相关材料进行了初步的筛选，并且得到了一系列候选材料，但其在SCWR堆内工况下的适用性，尤其是均匀腐蚀性能以及应力腐蚀性能需要进行深入的研究。本文分别对铁素体/马氏体（F/M）钢（P92和T91），奥氏体不锈钢（HR3C和304NG），镍基合金（C276）以及奥氏体ODS钢（316-ODS和310-ODS）在超临界水（SCW）中进行了均匀腐蚀实验。实验结果表明，F/

5、M钢在SCW中的耐均匀腐蚀性能较差，并且表面氧化膜出现了开裂和剥落的现象；高Cr含量的奥氏体不锈钢HR3C具有优良的耐均匀腐蚀性能，而Cr含量较低的304NG钢出现了严重的疖状腐蚀；镍基合金具有极其优良的耐均匀腐蚀性能，当温度由600℃升高到650℃时材料的腐蚀增重反而降低；奥氏体ODS钢同样具有良好的耐均匀腐蚀性能，310-ODS钢表面氧化膜致密完整，而316-ODS钢由于熔炼过程中的缺陷，表面氧化膜结构不均匀。本文采用慢应变速率拉伸（SSRT）的方法分别研究了P92钢，316Ti钢，HR3C钢，C

6、276合金以及310-ODS钢在SCW中的应力腐蚀开裂（SCC）敏感性。在这五种候选材料中，P92钢具有良好的力学性能并且其SCC倾向极低；316Ti钢的力学性能较差，同时其出现了严重的穿晶应力腐蚀开裂（TGSCC）；HR3C钢、C276合金和310-ODS钢均具有优良的力学性能，并且这三种材料均出现了沿晶应力腐蚀开裂IV上海交通大学硕士学位论文（IGSCC），但是HR3C钢和310-ODS钢的SCC倾向较低，而C276合金具有极高的IGSCC敏感性。根据本文中的实验筛选结果可知，HR3C钢和310-

7、ODS钢在SCW环境中具有优良的耐均匀腐蚀性能和力学性能，同时还有具有较低的SCC敏感性，因此它们在所有的候选材料中具有较高的优先级。关键词：超临界水冷堆，超临界水，燃料包壳，均匀腐蚀，应力腐蚀开裂V上海交通大学硕士学位论文CORROSIONBEHAVIOROFCANDIDATEFUELCLADDINGMATERIALSFORSUPERCRITICALWATER-COOLEDREACTORABSTRACTSupercriticalwater-cooledreactor(SCWR)wasproposed

8、asoneofthemostpromisingGenerationⅣnuclearfissionreactorprototypesforlargescaleelectricpowerplantsduetoitsrelativelysimplifieddesign,compactlayout,andhighthermalefficiency,comparingwiththecurrentstate-of-the-artlightwaterreactors(