5包壳材料详解课件.ppt
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1、5.包壳材料包壳材料5.1 包壳材料简介5.2 锆及其合金5.3 锆-4合金5.1、包壳材料简介?包壳的重要意义:1)包壳是核反应堆安全的第一道屏障,它包容裂变产物,防止裂变产物外泄;2)它是燃料和冷却剂之间的隔离屏障,避免燃料与冷却剂发生反应;3)它给芯块提供了强度和刚度,是燃料棒几何形状的保持者。5.1.1 对包壳材料的要求对包壳材料的要求1)具有良好的核性能,也就是中子吸收截面要小,感生放射性要弱。2)具有良好的导热性能。3)与核燃料的相容性要好,也就是说在燃料元件的工作状态下,包壳与燃料的界面处不会发生使燃料元件性能变坏的物理作用和化学反应。4)具有良好的机械性能,即能够提供合适的机械
2、强度和韧性,使得在燃耗较深的条件下,仍能保持燃料元件的机械完整性。5)应有良好的抗腐蚀能力。6)具有良好的辐照稳定性。7)容易加工成形,成本低廉,便于后处理。5.1.2 常用的包壳材料常用的包壳材料1)铝、镁、锆的合金(中子吸收截面小、熔点高)水堆中应用最普遍的是锆2和锆4合金2)不锈钢和镍基合金(优异的高温性能和价格优势)。快堆中主要考虑高温性能和抗辐照损伤性能,目前多采用奥氏体不锈钢,有时也使用镍基合金。5.2 锆及其合金锆及其合金?纯锆是一种银白色,有光泽的延性金属,473K时理论密度为6.55Mg/m3,熔点为2125K。?自然界中锆与铪共生,其含量为50:1,铪的中子吸收截面约为40
3、0b,因此锆与铪必须分离才能用于反应堆做包壳材料。5.2.1 金属锆的性能?优点高温下强度高,延性好,中子吸收截面小,在高温水中抗腐蚀性能好,有较高的导热性和较好的加工性能,与二氧化铀有较好的相容性。?缺点存在织构(与拉拔过程有关,不能通过热处理改变);存在吸氢和氢脆问题;与氧在高温下反应金属锆的优缺点金属锆的优缺点5.2.2 锆合金锆合金名称Sn(%)Fe(%)Ni(%)Cr(%)Nb(%)Zr-12.5-Zr-21.2-1.70.07-0.20.03-0.080.05-0.15-Zr-41.2-1.70.18-0.24-0.07-0.13-Zr-1Nb-1.1Zr-2.5Nb-2.5?Zr
4、-1由于纯锆的性能受氮的影响很大,研究发现,当加入2.5%Sn时可以抵消0.07%氮的有害影响,并能使生成的氧化膜牢固地附着在锆基体上。于是产生了以加入质量分数2.5%锡为合金成分的工业合金“锆-1”。5.2.2.1 锆-锡系列合金?Zr-2进一步的研究发现,在锆中加入约 0.1%的铁和少量的铬及镍是极为有利的。与锆-1相比,锡的含量适当降低,因为锡含量增高会降低合金的耐腐蚀性。锆-2合金中添加元素的质量分数为:锡-1.5%;铁-0.12%;铬-0.10%;镍-0.05%。运行表明,锆-2合金在高温水和蒸汽中具有良好的耐腐蚀性能和强度,热中子吸收截面在 0.18-0.23b,硬度为纯锆的两倍。
5、?Zr-3过多的锡含量会影响加工成型性,同时研究证明,在350水中和400 蒸汽中的吸氢与镍的含量有很大关系。因此,降低了锡含量和镍含量,把镍含量由原来的0.05%降低到了0.007%,研制了锆-3合金。?Zr-4由于减少了镍含量,抗腐蚀性能有所下降,研究表明:铁、铬、镍的总量保持在 0.3%左右可以得到合适的第二相,获得较好的抗腐蚀性能。因而把铁含量由原来的 0.12%增加到0.18%-0.24%,这就形成了锆-4合金。锆-4合金在350 高温水中和400 蒸汽中有更好的耐腐蚀性能,而吸氢量仅为锆-2合金的1/2-1/3,其余性能与锆-2相似。它已广泛被用于压水堆和重水堆中做燃料包壳材料和堆
6、芯结构材料。?低锡Zr-4为了加深燃耗,减少燃料包壳的水侧腐蚀,研制了低锡锆-4合金。将锡含量控制到下限水平,铬和铁的总量控制到略高于上限水平,并把硅做合金元素考虑,控制沉淀相尺寸到0.075-0.12微米,得到低锡锆-4合金,可以提高燃耗1/4-1/3。铌的中子吸收截面不大(1.1b),加入一定量的铌可消除一些杂质,如碳、铝和钛的有害作用,并可以有效地减少锆合金的吸氢量。1)锆-1铌合金含有1.1 wt%铌的锆合金的耐蚀性仅次于锆-2合金,而吸氢是锆-锡合金的1/10-1/5,并且有足够的强度和延性。在前苏联的列宁核电厂和我国的田湾核电厂有应用,用来制作燃料元件的包壳。5.2.2.2 锆-铌
7、系列合金2)锆-2.5铌合金含有2.5 wt%铌的锆合金在高温水中的耐腐蚀性虽不如锆-锡合金,但吸氢率低,径向蠕变速率很小,同时可以热处理强化。锆-2.5铌合金在重水堆上主要用于制作压力管,在动力堆中用于元件盒壳体的板材及堆芯部件的结构材料。锆-2.5铌合金在使用中一个比较大的问题是氢化物的延迟开裂(DHC)。其原因是在应力梯度的影响下,氢向裂纹尖端扩散所引起的。1)20世纪90年代以来,为了提高压水堆燃料元件的性能,增加燃耗,各国都开发研制了新型的锆合金。新锆合金打破了锆-锡,锆-铌合金的界限,采用新的思维,互相融合,在原来锆合金的基础上取得了突破。2)我国开发了N18,N36,NZ2,NZ
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