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1、包壳材料包壳材料 包壳的堆内行为 锆合金及合金化原理Questions1）对包壳材料的性能要求是什么？）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？）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？合金的合金化目的是什么？4）为什么在）为什么在Zr中加入中加入Sn有助于抵消有助于抵消N的危害，降的危害，降低腐蚀速率？低腐蚀速率？5）在）在Zr中加入中加入Fe、Ni、Nb等合金元素的好处分等合金元素的好处分别是什么？别是什么？6）简述）简述Zr-Sn合金的发展历程。合金的发展历程。7）Zr-4合金的氧化腐蚀规律是什么？合金的氧化腐蚀规律是什么？ 8）Zr合金内
2、氢化破坏的过程如何？合金内氢化破坏的过程如何？9）消除）消除Zr合金的内氢化措施有哪些？合金的内氢化措施有哪些？10）简述）简述PCI引发包壳的破损过程。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。反应堆正常、高效和经济运行的重要前提和主要制约因素。对包壳材料的性能要求对包壳材料的性能要求易于加工，成本低易于加工，成本低设计尺寸？设计尺寸？常见的包壳材料常见的包壳材料锆的物理性质锆的物理性质什么叫做相？相变？密排六方什么叫做相？相变？密排六方hcp&体心体心立方立
3、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 periodic or not (amorphous)Single crystal: Single crystal: in the f
4、orm of one crystal Polycrystalline: Polycrystalline: grain boundaries grainsLattice Constantsa c b a c bSpace lattice（空间点阵） is a point array which represents the regularity of atom arrangements.七大晶系Triclinic(三斜三斜)abc ，90Monoclinic（单斜）（单斜）abc ， 90 90Orthorhombic（正交）（正交）abc ，90Tetragonal（四方）（四方）abc ，9
5、0Cubic（立方）（立方）abc ，90Hexagonal（六方）（六方）abc ，90120Rhombohedral（菱方）（菱方）abc ，9074742828Delete the 14 types which are identicalDelete the 14 types which are identical282814141414+PICF2. 14 types of Bravais latticeTricl: simple (P)Monocl: simple (P). base-centered (C)Orthor: simple (P). body-centered (I).
6、 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原子数：平均每个晶胞含有的原子个数。原子半径原子半径：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配位数配位数：一个原子（或离子
7、）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 determine, The atom is looked as a hard sphere, and the nearest neighbours to
8、uch each other. For BCC, Volume of atoms / cellVolume of atoms / cell Volume of unit cell Volume of unit cell2. HCP Example: Be, Mg, Zn, Cd, -Zr, Hf Ti( low temperature) n CN12 0.74晶胞晶胞 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。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。锆的化学性质锆的化学性质锆的氧化腐蚀机理锆的氧化腐蚀机理 根据根据Hauffe原子价规律，加入同族元素或者第原子价规律，
9、加入同族元素或者第VB，VIB，VIIIB族元素，将增加族元素，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。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锆合金的合金化目的- 抑制有害元素抑制有害元素锆的合金化原理锆的合金化原理锆合金的发展锆合金的发展锆和锆合金棒材的成分和性能锆和锆合金棒材的成分和性能Zr合合金金与与高高温温水水反反应应生生成成的的氢氢，部部分分被被合合金金的的基基体体吸吸收收，在在高高温温时时固固溶溶在在基基体体中中。氢氢在在Zr合合金金中中的的固固溶溶度度随随温温度度的的降降低低而而减减小小
10、，室室温温下下，超超过过极极限限固固溶溶度度的的氢氢将将以以氢氢化化物物ZrH1.5的的小小片片析析出出，因因其其体体积积比比Zr合合金金基基体体体体积积大大14%，且且150度度以以下下为为脆脆性性相相，因因此此氢氢化化物物的的析析出出破破坏坏了了晶晶粒粒完完整整性性，成为裂纹源。成为裂纹源。什么是织构？影响如何？加加工工/ /形形变变织织构构：加加工工/ /形形变变时时晶晶体体滑滑移移，同同时时也也发发生生转转动动，变变形形量量大大时时，各各个个晶晶粒粒某某个个相相同同的的滑滑移移系系都都逐逐渐渐转转向向与与拉拉力力轴轴平平行行，趋趋于于一一致致，晶晶体体择择优取向，变形量越大，择优取向越
11、强。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，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
12、高温向低温处扩散，当吸氢速率超过扩散量地吸氢，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，氢不断从应力场使氢化物取向呈放射状，在温度梯度作用下，氢不断从内壁向外壁扩散，并在内壁造成裂纹，促使氢化物向外扩展，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，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。鼓包破裂，导致燃料棒破损。消除消除Zr合金的内氢
13、化措施合金的内氢化措施（1）提提高高燃燃料料芯芯块块的的密密度度（94-95%TD），减减少少开口孔率，降低芯块吸水量；开口孔率，降低芯块吸水量；（2）芯芯块块装装管管时时应应经经高高温温真真空空除除气气和和干干燥燥处处理理，严格控制芯块吸水量；严格控制芯块吸水量；（3）限限制制芯芯块块中中氟氟杂杂质质的的含含量量，锆锆管管内内壁壁喷喷丸丸处处理理，使使表表面面氟氟含含量量低低于于0.5 g/gg/g，以以防防氟氟杂杂质质释释放，击穿氧化膜；放，击穿氧化膜；（4）用吸气剂吸收残留在燃料棒里的氢；）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）。）锆管内壁涂石墨（如重水
14、堆燃料包壳）。PCMIPCCI芯块与包壳机械相互作用芯块与包壳机械相互作用PCMIPCMI是包壳承受应力的主要来源。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，主要主要功能是释放能量，屏蔽强放射性物质功能是释放能量，屏蔽强放射性物质。其质量是关
15、系到反应堆安全性、经济性和关系到反应堆安全性、经济性和先进性先进性的重要因素。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、热工水力设计核设计、热工水力设计和材料结构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
16、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：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
17、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：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
18、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过程。氢所造成的危害程度与氢化锆是否形成、形成后氢化锆的量及氢化
19、锆的分布状态有密切关系。氢脆包壳性能锆合金中氢通常有三个来源：锆合金加工过程中作为杂质杂质带到锆合金中；从介介质中吸氢质中吸氢，压水堆中冷却及水可溶解一定量氢，辐照分解出一部分氢；锆水反应生成的氢锆水反应生成的氢。6、辐照生长、辐照生长：除了热膨胀和应力引起的锆合金变形外，中子辐照会使锆合金的径向和轴向发生变形。在体积不变的情况下，中子辐照引起的形状变化称为辐照生长。辐照生长与中子注量率、辐照时间、温度和锆合金的冷加工状态有关。燃料棒直径对压水堆来说，70年代初主要是着眼于提高堆芯热工参数，棒径一般为10.7mm，燃料组件以15*15正方形排列；70年代中以来，重点是提高燃料棒的安全性，尤其是
20、提高失水事故下安全裕量，因此将棒径减小到9.5mm左右，燃料组件按17*17或18*18正方形排列。包壳厚度包壳的作用：保证燃料棒形状和尺寸的稳定性；包容裂变产物，以免污染一回路；防止燃料芯块与高温水直接接触而产生腐蚀或浸蚀；抑制燃料芯块的辐照肿胀确定包壳厚度主要考虑一下几点：1、倒塌压力2、包壳应力3、腐蚀损失4、腐蚀吸氢5、温度变动芯块的形状和尺寸芯块和包壳的相互作用的最后结果是引起包壳的轴向和径向应变。当应变超过规定值，同时在腐蚀的作用下包壳可能会发生破裂。芯块中心温度比周边的高，从而使燃料元件产生“竹节状”。通常，压水堆的燃料芯块两端都做成凹面凹面的蝶形的蝶形。芯块和包壳的间隙间隙：供
21、机械装配需要，并容纳反应堆运行时芯块的热膨胀和辐照肿胀。热膨胀辐照肿胀包壳应变：由于热膨胀和辐照肿胀等原因，可能使芯块和包壳接触，发生机械相互作用，并在两个芯块交界处的包壳上形成环脊，造成局部塑性变形可能发生破裂。空腔高度、压紧弹簧空腔：随着燃耗加深，裂变气体产量有所增加。为了保证寿期末元件棒的内压仍小于外压，必须扩大元件上部裂变气体贮存空间。一般取空腔高度为155170mm。空腔内冲入23MPa压力的氦气。（为了防止包壳被压扁，改善芯块和包壳的间隙热导值，推迟包壳与芯块间相互接触）压紧弹簧为了防止芯块在吊装和运输过程中位移和滑动，元件棒内上部插入一根螺旋压紧弹簧。镍718做成。预紧力为芯块重量的36倍。
