上海大学新生研讨课核能、核电及核电关键材料论文—包壳材料的演变及锆包壳堆内行为

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1、上海大学15～16学年春季学期本科新生研讨课课程考试小论文课程名称：核能、核电及核电关键材料课程编号：1000Y044论文题目:包壳材料的演变及锆包壳堆内行为研究生姓名:乔中伟学号:15121975学院：社区学院论文评语：成绩:任课教师:评阅日期:包壳材料的演变及锆包壳堆内行为乔中伟15121975（上海大学社区学院，上海200444）1引言：作为热中子反应堆的堆芯材料，应有最低可能的热中子吸收界面，这对于最接近堆芯的包壳材料尤为重要。从二战早期科学家研制出的铝及其合金，再到战后英国开发以镁为基的Magnox合金作为其气冷动力堆燃料元件，而美国为潜艇和发电动

2、力的应用研制了锆合金，这为日后水冷堆燃料的发展打下了良好基础。关键词：包壳材料的发展镁铝及其合金锆合金堆内性能和表现2作为反应堆包壳材料所具备的条件2.1低中子俘获截面核反应堆内要维持裂变反应的进行需要保证中子的平衡。从经济性角度考虑，应该尽量降低中子的俘获量和漏出堆外的数量，所以这要求对部件选用低中子俘获截面的材料。表2-1部分金属中子吸收截面低热中子截面(a<1分类中等热中子吸收截面(a=1~10靶)靶)元素BeMgZrAlNbFeMoCrCuNiVTi吸收截面0.0090.0690.180.221.152.42.42.93.64.55.15.6(靶

3、)2.2辐照稳定性辐照稳定性是衡量堆内部件在强劲的辐射作用下保持结构完整性程度的专业术语，通常决定部件结构完整性的外部因素是应力，但对于核反应堆部件，除了应力外还有中子的辐照。在高能量中子的作用下，材料晶格内产生大量离位原子，形成空位和填隙原子及贫原子区，它们在热运动的影响下不断演化，最终成为稳定的缺陷团、位错圈、新相沉淀颗粒、非晶区及相变区等，破坏了原石晶格的完整性。这种微观物理过程引发出种种影响堆内部件结构完整性的宏观辐照效应。此外，决定结构完整性的内在因素——材料的力学性质和缺陷分布也因中子幅照而导致显著地降低或改变，这样大大减弱部件对完整性的抗力。所

4、以为保持核反应部件的结构完整性，辐照稳定性已成为选用核反应堆材料的重要要求。2.3耐蚀性材料与环境介质接触并发生化学或电化学反应而引起材料逐渐变质或破损的现象称为腐蚀；由介质流动产生的交替变化激振力所诱发的部件间的碰撞与部件本身的腐蚀相结合而造成的综合效应称为磨蚀。二者在核反应堆内随处可见，不仅是高温、高压和高速流动的冷却剂本身均可引起部件的腐蚀和磨蚀，而且其内的腐蚀性杂质均可引起腐蚀和磨蚀。腐蚀和磨蚀是降低部件寿命，增加维修费用和威胁核电厂安全的重要原因。因此耐腐蚀性是选用材料的重要要求。2.4相容性两种不同材料间的相容性也称为相互作用，它反映了两种表面相

5、接触的不同材料间，因发生力学或化学的相互作用而致使材料降级和破坏的一种现象，这种现象曾在运行中的燃料元件中屡屡出现，得到了核工程界的高度重视，这就提出了对核反应堆材料应具有相容性的要求。3包壳材料3.1铝及其合金3.1.1铝的优点作为燃料棒包壳材料，首先铝及其合金具有塑性好、脆性小、耐腐蚀性强和强度适中的特点；其次铝有成熟的工业基础，易于加工生产。3.1.2铝合金包壳材料的发展表3.1-1三种铝合金包壳材料的化学成分1)1100合金靠控制Fe和Si含量和添加少量Cu改进腐蚀性和提高强度的，形成三元化合物，使铝脆性增加，但限制Si和Fe的总含量在0.2%-1.

6、0%之间可提高合金的强度。但在高温度水中容易产生晶间腐蚀。2)为了改进对高温水的耐蚀性，在1100合金基础上，添加了约1.0%的Ni，降低了Si含量，形成的X8001合金进一步提高了合金的强度。而另一种改进型MX8001合金再度降低了Si含量，并添加0.11%的Ti，提高了合金的屈服强度。3)6061合金是代替X8001合金的一种高强度Al-Mg-Si合金，依靠Si与Mg形成的硅化镁在内部均匀弥散，保持了铝的耐蚀性，又起到强化作用（Mg/Si等于1.73时效果最好）。4)法国、德国主要采用Al-Mg合金作为包壳材料，有AG1、AG2、AG3三种牌号。表3.1

7、-2法、德三种铝合金化学成分3.2镁及其合金3.2.1镁的特点与Al相比，Mg有更低的热中子吸收截面，对中子经济性来说是很理想的材料，同时Mg与铀有优异的相容性。但镁在高温下会与二氧化碳起作用而被氧化。在冶金及生产上的问题则集中在防火、抗氧化和增加蠕变强度上。因此使用受到限制。3.2.2镁合金包壳材料的发展1)早起的Mg合金是以Mg为基础添加少量Be、Ca和Al配制而成，Be和Ca的加入形成氧化膜增加了Mg的抗氧化能力，这样就形成了A12合金。2)但A12合金在400℃以上时晶粒长大，延性降低，影响了燃料的经济利用。为此开发了ZA合金，但ZA合金高温蠕变性能

8、极差，于是添加了Mn可细化晶粒进一步研制成了AM50