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课件:第讲包壳材料概要.ppt
氧化膜生长与晶面取向的关系 Bibb等(1964)用锆单晶在360℃高温水中腐蚀后,得到腐蚀转折的时间是晶体取向的函数。(10-14)是114天,(31-30)是325天。 Wilson(1966)用球状锆单晶在空气中氧化后,粗略确定了易于氧化的晶面是从(0001)面至(11-22)-(31-44)-(10-10)一个狭窄带状区。 Kim等(2002)用高纯锆的大晶粒样品在360℃高温水中腐蚀后,观察到氧化膜的生长呈现明显的各向异性。(图片显示为腐蚀5小时后) 锆单晶棒在360℃水中的腐蚀行为 氢脆 Zr氧化后剩余的氢穿过氧化膜进入Zr合金: 锆水反应:Zr+2H2O→ZrO2+4H 氢在锆中的固溶: Zr+H→Zr(H)sol 形成氢化锆: Zr+3H→2Zr(H)1.5 内氢化 氢来源于包壳内有机物等 从内部呈太阳状扩展 包壳脆化 氢化物 Zr-2.5Nb合金中片状氢化物呈随意取向,控制压力管加工艺,则可使片状氢化物呈切向分布,获得所需的织构 锆合金中片状氢化物根据不同的加工工艺参数而获得不同的织构 Pilger轧管机轧管示意图 通过旋转压延的方法来对管子减壁厚,并形成0001方向朝向径向的织构。 燃料芯块-包壳相互作用(PCI) PCI中机械相互作用 随温度变化,芯块畸变和肿胀挤压包壳产生变形 芯块圆周界面与包壳接触处形成环脊变形 应力腐蚀开裂 机械作用导致保护膜破裂 裂变产物碘形成腐蚀性介质,对微观裂纹的生成和扩展起着重大作用。 芯块径向开裂 燃料芯块包壳相互作用 应力腐蚀开裂照片 燃料包壳PCI破坏 机械作用引起的裂纹 燃料包壳的应力腐蚀开裂 Thanks for your attention Any questions? THANK YOU SUCCESS * * 可编辑 * /archive/index.php/t23363.html Zr-2.5Nb合金中片状氢化物呈随意取向,控制压力管加工艺,则可使片状氢化物呈切向分布,获得所需的织构(见图[Zr-2.5Nb合金中的氢化物取向×100] 可编辑 可编辑 包壳材料 锆合金及合金化原理 包壳的堆内性能 引言 核燃料芯块外面通常都有一层金属保护层,即燃料包壳: 保护燃料芯块不受冷却剂的侵蚀; 避免燃料中裂变产物外泄,使冷却剂免受污染; 保持燃料元件的几何形状并使之有足够的刚度和机械强度。 包壳是反应堆中工况最苛刻的重要部件。其工况条件为: 包容核燃料,承受高温、高压和强烈的中子辐照; 包壳内壁受裂变气体压力、腐蚀、燃料肿胀、吸氢致脆和芯块与包壳的相互作用等危害; 包壳外壁受冷却剂压力、冲刷、振动和腐蚀以及氢脆等威胁。 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。 对包壳材料的性能要求 核性能:小的中子吸收截面,辐照稳定性 特别是热中子堆或用天然铀作燃料的反应堆,对包壳材料中子吸收截面的限制十分严格。 对快中子堆,大多数元素的快中子吸收截面很小,选择材料的余地就较大。但对材料的、及耐蚀性的要求更为突出 通常选用截面小于1巴的金属为主要组分,吸收截面为数巴的元素作为合金化元素,截面在几十巴的杂质的含量限制在量级。 机械性能:足够的机械强度(高温强度) 化学性能:抗腐蚀性能、与冷却剂、裂变产物及燃料的相容性; 常见的包壳材料 可作为包壳材料和堆内结构材料的金属元素必须是低中子吸收截面的材料。根据它们的性能特点,各种材料的包壳用于不同的堆型。 如Al和Al合金用于低温水冷堆; 压水堆中用Zr合金(如Zr-4, M5),BWR用Zr-2合金; Nb用于快中子堆。 一些金属的中子吸收截面及熔点 锆的物理性质 银白色的金属,熔点1845oC 金属锆的物理性质 a相hcp b相 bcc 862oC 塑性比较差 0.8%体积变化 延展性好,冷加工变形达80% 锆的化学性质 锆是一种耐蚀性很强的金属: 锆在室温下不易氧化,但随温度升高,易形成稳定的氧化物 有很强的耐酸、碱能力 在高温水中的耐蚀性也很好。 在氧化动力学曲线上有一从抛物线型到直线型的“转折点”,在此点之前,在锆表面生成黑色、致密、呈保护性的非化学计量的氧化锆;在转折点后所生成的氧化膜则为白色﹑疏松的非保护性的化学计量氧化锆,易于呈薄片状剥落 样品增重随氧化时间的变化曲线称氧化动力学曲线。用在一定温度下样品由于吸收氧而增加的重量代表氧化过程进行的程度(即样品增重)。 锆的氧化动力学曲线 锆的氧化腐蚀机理 氧离子沿着膜中阴离子空位扩散,穿过氧化膜到达金属表面,而电子从金属表面向外运动,使氧化膜在金属和氧化膜界面处生长。二者平衡速度或氧离子与氧化物中空位的置换速度是腐蚀速度的控制因素。 锆合金的合金化目的 锆的
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