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1、包壳材料 包壳的堆内行为 锆合金及合金化原理 Questions 1）对包壳材料的性能要求是什么？ 2）可考虑用作包壳的候选材料有哪些？ 3）Zr合金的合金化目的是什么？ 4）为什么在Zr中加入Sn有助于抵消N的危害，降 低腐蚀速率？ 5）在Zr中加入Fe、Ni、Nb等合金元素的好处分 别是什么？ 6）简述Zr-Sn合金的发展历程。 7）Zr-4合金的氧化腐蚀规律是什么？ 8）Zr合金内氢化破坏的过程如何？ 9）消除Zr合金的内氢化措施有哪些？ 10）简述PCI引发包壳的破损过程。 减小元件破损率、保证包壳的完整性是提高元件燃耗、保证 反应堆正常、高效和经济运行的重要前提和主要制约因素。 对包
2、壳材料的性能要求 易于加工，成本低 设计尺寸？ 常见的包壳材料 锆的物理性质 什么叫做相？相变？密排六方hcp&体心 立方bcc？ 金属或合金中具有同一成分，同一状态的均一 组成，并有界面与其它部分分开的均匀组成部 分称为相。固溶体相和化合物相等。 由于温度、成分或压力的变化而导致金属或合 金发生相的分解，相的合成或晶体结构的转变 过程称为相变。 Classification of materials based on structure Classification of materials based on structure Regularity in atom arrangement
3、periodic or not (amorphous) Single crystal: Single crystal: in the form of one crystal Polycrystalline: Polycrystalline: grain boundaries grains Lattice Constants a c b a c b Space lattice（空间点阵） is a point array which represents the regularity of atom arrangements. 七大晶系 Triclinic(三斜) abc ，90 Monocli
4、nic（单斜） abc ， 90 90 Orthorhombic（正交 ） abc ，90 Tetragonal（四方） abc ，90 Cubic（立方） abc ，90 Hexagonal（六方） abc ，90120 Rhombohedral（菱方 ） abc ，90 74742828 Delete the 14 types which are identicalDelete the 14 types which are identical 282814141414 + + PICF 2. 14 types of Bravais lattice Tricl: simple (P) Mon
5、ocl: simple (P). base-centered (C) Orthor: simple (P). body-centered (I). base-centered (C). face-centered (F) Tetr: simple (P). body-centered (I) Cubic: simple (P). body-centered (I). face-centered (F) Rhomb: simple (P). Hexagonal: simple (P). 一些基本概念 原子数：平均每个晶胞含有的原子个数。 原子半径：原子核到最外层电子的平均距 离，它集中反映了原子
6、核对核外电子的吸 引力和核外电子间相互排斥的平衡结果。 致密度：晶胞内原子球所占体积与晶胞体 积之比值K=nv/V 配位数：一个原子（或离子）周围同种原 子（或异号离子）的数目称为原子（或离 子）的配位数，用CN来表示。 1. BCC Example: -Fe , V, Nb, -Zr Ta, Cr, Mo, W, alkali metals n = 2 atoms/cell CN=8 The number of nearest neighbours around each atom is called Coordination Number. Packing fraction To dete
7、rmine, The atom is looked as a hard sphere, and the nearest neighbours touch each other. For BCC, Volume of atoms / cellVolume of atoms / cell Volume of unit cell Volume of unit cell 2. HCP Example: Be, Mg, Zn, Cd, -Zr, Hf Ti( low temperature) n CN12 0.74 晶胞 空间点阵几何规律的基本空间单元，一般取最小平行六面体。 锆的化学性质 锆的氧化腐蚀
8、机理 根据Hauffe原子价规律，加入同族元素或者第VB，VIB，VIIIB族元素，将增加 氧化膜内的电子浓度，减少膜中阴离子空位，从而抑制氧离子扩散，降低腐蚀速率。 锆合金的合金化目的 - 抑制有害元素 锆的合金化原理 锆合金的发展 锆和锆合金棒材的成分和性能 Zr合金与高温水反应生成的氢，部分被合金的基 体吸收，在高温时固溶在基体中。氢在Zr合金中 的固溶度随温度的降低而减小，室温下，超过极 限固溶度的氢将以氢化物ZrH1.5的小片析出，因 其体积比Zr合金基体体积大14%，且150度以下 为脆性相，因此氢化物的析出破坏了晶粒完整性 ，成为裂纹源。 什么是织构？影响如何？ 加工/形变织构：
9、加工/形变时晶体滑移，同时也发生转动，变形量大时， 各个晶粒某个相同的滑移系都逐渐转向与拉力轴平行，趋于一致，晶体择 优取向，变形量越大，择优取向越强。 形成过程：在反应堆运行中，燃料中的水分释放出来，与高管 内壁发生反应，生成氧化锆与氢。这样燃料棒中的氧不断消耗 ，氢分压不断增加，使燃料棒内的气氛由氧化气氛转变为非氧 化气氛。当变成缺氧气氛时，局部氧化膜就可能被击穿，这种 缺陷是氧化膜在长期高温缺氧过程中形成的。随即，缺口处会 大量地吸氢，同时氢从高温向低温处扩散，当吸氢速率超过扩 散速率时，氢化物析出。由于氢化物的析出伴随体积膨胀，局 部应力场使氢化物取向呈放射状，在温度梯度作用下，氢不断
10、 从内壁向外壁扩散，并在内壁造成裂纹，促使氢化物向外扩展 ，在包壳外壁形成突起和鼓包。在功率变化时，包壳受到拉应 力，鼓包破裂，导致燃料棒破损。 消除Zr合金的内氢化措施 （1）提高燃料芯块的密度（94-95%TD），减少 开口孔率，降低芯块吸水量； （2）芯块装管时应经高温真空除气和干燥处理， 严格控制芯块吸水量； （3）限制芯块中氟杂质的含量，锆管内壁喷丸处 理，使表面氟含量低于0.5 g/g，以防氟杂质释 放，击穿氧化膜； （4）用吸气剂吸收残留在燃料棒里的氢； （5）锆管内壁涂石墨（如重水堆燃料包壳）。 PCMI PCCI 芯块与包壳机械相互作用PCMI PCMI是包壳承受应力的主要来
11、源。 芯块的热膨胀系数（10.8x10-6）比包壳管 （6.2x10-6）的大，而且芯块温度高，又有 裂纹及辐照肿胀，因此一定的燃耗后，二 者会相互贴紧，发生PCMI。引起包壳管在 长度和直径上的变化：在轴向变形上发生 棘轮变形，在芯块间的界面处形成环脊。 PCCI 燃料元件设计 压水堆燃料组件 燃料棒的排列 1515 或 1717 棒束长 : 约34m 燃料棒的排列：1515或1717 燃料元件设计 燃料元件是反应堆堆芯的关键部件，主要 功能是释放能量，屏蔽强放射性物质。 其质量是关系到反应堆安全性、经济性和 先进性的重要因素。 确定燃料元件的形状、尺寸、排列方式或 栅距时，必须兼顾核设计、
12、热工水力设计 和材料结构设计等级方面的要求。 设计准则 堆运行条件下 确保包壳是弹性稳定的； 在整个设计寿期内， 包壳不应发生蠕变坍塌 确保包壳是塑性稳定的； 设计寿期末，燃料元件的内部气体压力应低于冷 却剂工作压力 最热燃料芯块的最高温度应低于二氧化铀的熔点 整个设计寿期内，包壳的应力应低于考虑了温度 和中子辐照影响的材料屈服强度 设计准则 整个设计寿期内，包壳周向弹性加塑性应变不得 超过1%，通常以最大压缩应变（寿期初）和最 大拉伸应变（寿期末）的代数差表示； 包壳运行累积的应变疲劳循环次数应低于设计的 应变疲劳次数； 设计寿期末，包壳的最大腐蚀深度应小于包壳壁 厚的10%。 燃料元件设计
13、包括 燃料和包壳材料的选择: 燃料元件棒径: 包壳厚度: 芯块形状尺寸: 包壳和芯块间隙: 气体贮存空腔尺寸: 充氦加压: 燃料材料选择需考虑的因素 热膨胀 燃料芯块在堆内辐照情况下，由于热应力的 作用使二氧化铀发生破裂。 燃料膨胀 二氧化铀材料受辐照后体积增大的现象称为 膨胀。膨胀的程度与燃料密度有关。 燃料材料选择需考虑的因素（续 ） 燃料的密实化： 燃料的密实化效应表现为元件棒中燃料柱长度的缩短 和芯块半径的减小。当燃料柱缩短而燃料数量保持不 变时，线功率密度就增加，因而通过包壳的热流密度 也增加。燃料芯块的径向收缩减轻了芯块-包壳间的界 面压力的有害作用，但同时增加了芯块-包壳间隙的热
14、 阻，从而使燃料中心温度升高。 密实化的三种机理: 辐照导致孔隙的消除；热压缩和热烧结 燃料材料选择需考虑的因素（续 ） 燃料芯块的破裂： 反应堆刚一启动并在燃料元件发生明显的肿 胀或蠕变之前，燃料芯块实际上就已经产生 了裂纹，且以径向裂纹为主。这是因为热应 力超过燃料的拉伸断裂强度。 裂变气体的释放： 裂变气体释放后，包壳将产生附加压力。 密度的确定 二氧化铀芯块密度的高低由吸水性、密实 效应、辐照肿胀等因素决定。 通常取实际密度为理论密度TD的92%97% 。 目前电厂压水堆中二氧化铀的密度一般采 用94%95%TD。 包壳 锆合金材料； 性能： 1、热膨胀：正常运行温度下，锆合金呈密集 六方结构，高温时转变成体心立方结构。当达 到相变温度时出现明显的收缩。 2、包壳的形变：弹性区按胡克定律计算 3、强度和延性：拉伸性能取决于先前的工艺 历史、特别是与管子制造的后一道冷加工量和 退火温度有关。 包壳性能 4、蠕变：锆合金的蠕变是应力、时间、温 度和中子注量率的函数，也与冷加工量有关 。 5、腐蚀性能和吸轻： 锆合金在高纯水或蒸汽中与水反应生成一层氧化 膜。 伴随锆合金腐蚀而产生的吸氢进一步促进锆合金 的破坏
