核電廠材料包殼材料

1、核電廠材料包殼材料China Institute of Atomic Energy, 102413, Beijing, ChinaChina Institute of Atomic Energy, 102413, Beijing, China第1頁/共33頁 鋯鋯-4-4合金的性能合金的性能5.3 5.3 鋯合金鋯合金 具有小的中子吸收截面；具有小的中子吸收截面； 具有良好的抗輻照損傷能具有良好的抗輻照損傷能力，并且在快中子輻照下力，并且在快中子輻照下不產(chǎn)生強的長壽命核素不產(chǎn)生強的長壽命核素 具有良好的抗腐蝕性能，具有良好的抗腐蝕性能，不與二氧化鈾燃料反應(yīng)，不與二氧化鈾燃料反應(yīng)，與高溫水相容性

2、好與高溫水相容性好 具有好的強度、塑性及蠕具有好的強度、塑性及蠕變性能；變性能； 熔點高；熔點高； 好的導(dǎo)熱性能及低的線膨好的導(dǎo)熱性能及低的線膨脹系數(shù)；脹系數(shù)； 工藝性能好，易于加工和工藝性能好，易于加工和焊接焊接 存在織構(gòu)存在織構(gòu) 有吸氫和氫脆問題，氫化有吸氫和氫脆問題，氫化物的析出方向與織構(gòu)和應(yīng)物的析出方向與織構(gòu)和應(yīng)力有關(guān)，并會影響鋯力有關(guān)，并會影響鋯-4合合金包殼管的堆內(nèi)性能金包殼管的堆內(nèi)性能 高溫下與氧反應(yīng)，應(yīng)限制高溫下與氧反應(yīng)，應(yīng)限制在在400oC以下使用以下使用 在高溫下發(fā)生鋯水反應(yīng)，在高溫下發(fā)生鋯水反應(yīng)，產(chǎn)生氫氣產(chǎn)生氫氣 優(yōu)點優(yōu)點缺點缺點第2頁/共33頁 CANDUCANDU堆燃

3、料棒束包殼：堆燃料棒束包殼：Zr-4Zr-4合金合金5.3 5.3 鋯合金鋯合金CANDU6型重水堆型重水堆燃料棒束：燃料棒束： UO2芯塊；芯塊； 鋯包殼；鋯包殼； 石墨中間層；石墨中間層； 端塞；端塞； 隔離塊；隔離塊； 支承墊；支承墊； 端板端板第3頁/共33頁 鋯合金包殼管的制造工藝鋯合金包殼管的制造工藝5.3 5.3 鋯合金鋯合金鋯鉿分離鋯鉿分離合金熔煉合金熔煉擠壓成管胚擠壓成管胚冷加工（冷軋）冷加工（冷軋）最終退火最終退火表面處理表面處理成品管檢驗與試驗成品管檢驗與試驗碘化法（實際是采用氯化進行分離）碘化法（實際是采用氯化進行分離）將海綿鋯制成自耗電極，真空冶煉將海綿鋯制成自耗電極

4、，真空冶煉擠壓成厚壁管擠壓成厚壁管采用采用Pilger軋機，冷軋成薄壁管軋機，冷軋成薄壁管去應(yīng)力退火或再結(jié)晶退火去應(yīng)力退火或再結(jié)晶退火B(yǎng)WR：化學(xué)拋光，預(yù)制氧化膜；：化學(xué)拋光，預(yù)制氧化膜；PWR：機械拋光：機械拋光非破壞檢驗和破壞檢驗非破壞檢驗和破壞檢驗第4頁/共33頁 鋯合金包殼管的制造工藝鋯合金包殼管的制造工藝鋯鉿分離鋯鉿分離合金熔煉合金熔煉擠壓成管胚擠壓成管胚冷加工（冷軋）冷加工（冷軋）最終退火最終退火表面處理表面處理成品管檢驗與試驗成品管檢驗與試驗碘化法碘化法5.3 5.3 鋯合金鋯合金第5頁/共33頁 鋯合金包殼管的制造工藝鋯合金包殼管的制造工藝鋯鉿分離鋯鉿分離合金熔煉合金熔煉擠壓成

5、管胚擠壓成管胚冷加工（冷軋）冷加工（冷軋）最終退火最終退火表面處理表面處理成品管檢驗與試驗成品管檢驗與試驗海綿鋯按比例加入合海綿鋯按比例加入合金元素后壓制成塊，金元素后壓制成塊，然后焊接成棒，做成然后焊接成棒，做成自耗電極，在真空電自耗電極，在真空電弧爐中熔煉成錠弧爐中熔煉成錠5.3 5.3 鋯合金鋯合金第6頁/共33頁 鋯合金包殼管的制造工藝鋯合金包殼管的制造工藝鋯鉿分離鋯鉿分離合金熔煉合金熔煉擠壓成管胚擠壓成管胚冷加工（冷軋）冷加工（冷軋）最終退火最終退火表面處理表面處理成品管檢驗與試驗成品管檢驗與試驗在在500700500700o oC C， 相相區(qū)，在液壓機上將區(qū)，在液壓機上將胚料通過

6、模具擠壓胚料通過模具擠壓成厚壁管成厚壁管5.3 5.3 鋯合金鋯合金第7頁/共33頁 鋯合金包殼管的制造工藝鋯合金包殼管的制造工藝鋯鉿分離鋯鉿分離合金熔煉合金熔煉擠壓成管胚擠壓成管胚冷加工（冷軋）冷加工（冷軋）最終退火最終退火表面處理表面處理成品管檢驗與試驗成品管檢驗與試驗在皮爾格在皮爾格(Pilger)(Pilger)軋機上冷軋，逐漸將厚壁軋機上冷軋，逐漸將厚壁管拉拔成薄壁管。為了消除管材的冷加管拉拔成薄壁管。為了消除管材的冷加工硬化，采用中間退火。工硬化，采用中間退火。該工序是包殼管制備最該工序是包殼管制備最重要的工序之一重要的工序之一5.3 5.3 鋯合金鋯合金第8頁/共33頁 鋯合金包

7、殼管的制造工藝鋯合金包殼管的制造工藝鋯鉿分離鋯鉿分離合金熔煉合金熔煉擠壓成管胚擠壓成管胚冷加工（冷軋）冷加工（冷軋）最終退火最終退火表面處理表面處理成品管檢驗與試驗成品管檢驗與試驗為了獲得取向為切向（周向）的氫化物，以減為了獲得取向為切向（周向）的氫化物，以減少氫化物析出對力學(xué)性能的影響，管壁厚度的少氫化物析出對力學(xué)性能的影響，管壁厚度的變形量必須大于直徑的變形量，而且要求使變形量必須大于直徑的變形量，而且要求使 晶粒的基極取向接近徑向晶粒的基極取向接近徑向5.3 5.3 鋯合金鋯合金第9頁/共33頁 鋯合金包殼管的制造工藝鋯合金包殼管的制造工藝鋯鉿分離鋯鉿分離合金熔煉合金熔煉擠壓成管胚擠壓成

8、管胚冷加工（冷軋）冷加工（冷軋）最終退火最終退火表面處理表面處理成品管檢驗與試驗成品管檢驗與試驗450500450500o oC C消除應(yīng)力退消除應(yīng)力退火或火或600600o oC C以上再結(jié)晶以上再結(jié)晶退火退火包殼管的最后處理：包殼管的最后處理：BWRBWR：化學(xué)拋光：化學(xué)拋光+ +高壓釜預(yù)生致密高壓釜預(yù)生致密氧化膜氧化膜PWRPWR：機械拋光：機械拋光+ +堆內(nèi)形成氧化膜堆內(nèi)形成氧化膜非破壞檢驗非破壞檢驗：肉眼觀察、表面光潔：肉眼觀察、表面光潔度分析、管子長度與垂直度檢查、度分析、管子長度與垂直度檢查、測量內(nèi)徑與外徑、測量壁厚、超聲測量內(nèi)徑與外徑、測量壁厚、超聲波無損探傷波無損探傷破壞性檢

9、驗破壞性檢驗：化學(xué)分析、機械性能：化學(xué)分析、機械性能測試、內(nèi)壓試驗、顯微組織及氫化測試、內(nèi)壓試驗、顯微組織及氫化物取向分析物取向分析第10頁/共33頁 鋯合金包殼管的堆內(nèi)行為鋯合金包殼管的堆內(nèi)行為p 表面腐蝕：表面腐蝕：分為均勻腐蝕和非均勻腐蝕分為均勻腐蝕和非均勻腐蝕 均勻腐蝕均勻腐蝕Zr+2HZr+2H2 2O ZrOO ZrO2 2+4H+4H在氧化動力學(xué)曲線上有一從冪函在氧化動力學(xué)曲線上有一從冪函數(shù)關(guān)系型到直線型的數(shù)關(guān)系型到直線型的“轉(zhuǎn)折點轉(zhuǎn)折點”，在此點之前，在鋯表面生成黑色、在此點之前，在鋯表面生成黑色、致密、呈保護性的非化學(xué)計量的致密、呈保護性的非化學(xué)計量的氧化鋯（膜厚氧化鋯（膜厚

10、2323 mm），分子式），分子式為為ZrOZrO2 -x2 -x；在轉(zhuǎn)折點后所生成的；在轉(zhuǎn)折點后所生成的氧化膜變?yōu)榘咨ㄑ趸ぷ優(yōu)榘咨?0605060 mm） 、疏松的非保護性的化學(xué)計量疏松的非保護性的化學(xué)計量ZrOZrO2 2，該膜容易呈薄片狀剝落。該膜容易呈薄片狀剝落。鋯合金的氧化動力學(xué)曲線鋯合金的氧化動力學(xué)曲線5.3 5.3 鋯合金鋯合金第11頁/共33頁p 表面腐蝕表面腐蝕 N N的存在會加速腐蝕，的存在會加速腐蝕，N0.004%N0.004% 中子輻照對鋯合金腐蝕有加速作用，中子輻照對鋯合金腐蝕有加速作用，出現(xiàn)白色膜是鋯出現(xiàn)白色膜是鋯合金結(jié)構(gòu)件因腐蝕事故而報廢的標志合金結(jié)構(gòu)件因腐

11、蝕事故而報廢的標志 當燃耗接近當燃耗接近4040，0005000050，000MW000MW d/d/tUtU時，氧化膜時，氧化膜的厚度可達的厚度可達50605060 mm， 已接近包殼壁厚的已接近包殼壁厚的1010%鋯合金的氧化動力學(xué)曲線鋯合金的氧化動力學(xué)曲線美國國家標準“固定式壓水堆燃料元件設(shè)計準則”規(guī)定：壽期末，燃料元件包殼最大腐蝕深度應(yīng)低于壁厚的10%5.3 5.3 鋯合金鋯合金第12頁/共33頁 鋯合金包殼管的堆內(nèi)行為鋯合金包殼管的堆內(nèi)行為非均勻腐蝕（局部腐蝕）非均勻腐蝕（局部腐蝕）p 癤狀腐蝕癤狀腐蝕 （Nodular corrosion)癤狀腐蝕是沸水堆燃料癤狀腐蝕是沸水堆燃料元

12、件及元件盒中的常見現(xiàn)元件及元件盒中的常見現(xiàn)象，在象，在PWR中也有出現(xiàn)。中也有出現(xiàn)。 常在富氧水質(zhì)下發(fā)生；常在富氧水質(zhì)下發(fā)生； 形貌是白色氧化膜形貌是白色氧化膜（ZrO2）園斑，其直徑可）園斑，其直徑可達達0.5mm或更大，深度可或更大，深度可達達10-100 m；改進Zr-4的癤狀腐蝕5.3 5.3 鋯合金鋯合金第13頁/共33頁 鋯合金包殼管的堆內(nèi)行為鋯合金包殼管的堆內(nèi)行為5.3 5.3 鋯鋯-4-4合金合金p 縫隙腐蝕縫隙腐蝕 常發(fā)生在包殼管與定位常發(fā)生在包殼管與定位格架接觸部位的縫隙處。格架接觸部位的縫隙處。該處水流阻力大，流速該處水流阻力大，流速慢，在熱流作用下，此慢，在熱流作用下，

13、此處水質(zhì)發(fā)生變化，冷卻處水質(zhì)發(fā)生變化，冷卻水中堿性離子濃度增加，水中堿性離子濃度增加，局部局部pH值升高，引起嚴重堿蝕；值升高，引起嚴重堿蝕； 腐蝕深度隨著燃耗加深而增加，嚴重的局部腐蝕會影腐蝕深度隨著燃耗加深而增加，嚴重的局部腐蝕會影響燃料棒的安全運行和使用壽命。響燃料棒的安全運行和使用壽命。CIAECIAE，龍斌，龍斌核工業(yè)研究生院核工業(yè)研究生院第14頁/共33頁 鋯合金包殼管的堆內(nèi)行為鋯合金包殼管的堆內(nèi)行為 按壓水堆燃料元件設(shè)計安全準則，壽期末包殼中氫含量應(yīng)按壓水堆燃料元件設(shè)計安全準則，壽期末包殼中氫含量應(yīng)小于小于250250 g/gg/g 鋯合金于高溫水氧化反應(yīng)生成氫，部分鋯合金于高溫

14、水氧化反應(yīng)生成氫，部分被合金基體吸收，在高溫時固溶在基體中。被合金基體吸收，在高溫時固溶在基體中。固溶度（或稱溶解度）表示為：固溶度（或稱溶解度）表示為：式中：式中：N0固溶度，固溶度， g/g R-氣體常數(shù)氣體常數(shù) T- 溫度，溫度， KCIAECIAE，龍斌，龍斌p 吸氫和氫脆吸氫和氫脆 堆用鋯合金的氫來源于加工時的自然吸氫、芯塊殘堆用鋯合金的氫來源于加工時的自然吸氫、芯塊殘留的水和氫，以及最主要的腐蝕吸氫留的水和氫，以及最主要的腐蝕吸氫國產(chǎn)新國產(chǎn)新Zr合金合金N36的吸氫的吸氫N0= 9.9x104 exp(- ) 8250RT核工業(yè)研究生院核工業(yè)研究生院5.3 5.3 鋯合金鋯合金第1

15、5頁/共33頁 鋯合金包殼管的堆內(nèi)行為鋯合金包殼管的堆內(nèi)行為當合金中氫的固溶度超過極限固溶度時，氫將以氫化物（當合金中氫的固溶度超過極限固溶度時，氫將以氫化物（ZrHZrH1.51.71.51.7）小片析出。氫化物在低溫下（小片析出。氫化物在低溫下（260260o oC C或或150150o oC C）為脆性相，析出的氫化）為脆性相，析出的氫化物可能成為材料的裂紋源，使鋯合金的延性降低，造成物可能成為材料的裂紋源，使鋯合金的延性降低，造成氫脆氫脆。 對燃料元件包殼來講，氫化物的排列方式對包殼管的力學(xué)性能影響對燃料元件包殼來講，氫化物的排列方式對包殼管的力學(xué)性能影響很大：呈很大：呈周向排列周向排

16、列取向的氫化物對強度的影響不大；呈取向的氫化物對強度的影響不大；呈徑向排列徑向排列取向取向的氫化物，會使強度和延性大大降低。的氫化物，會使強度和延性大大降低。p 吸氫和氫脆吸氫和氫脆核工業(yè)研究生院核工業(yè)研究生院a. a.氫化物呈周向分布氫化物呈周向分布b. b.氫化物呈徑向分布氫化物呈徑向分布5.3 5.3 鋯合金鋯合金第16頁/共33頁 織構(gòu)是決定氫化物取向的主要因素織構(gòu)是決定氫化物取向的主要因素 在沒有內(nèi)應(yīng)力的情況下在沒有內(nèi)應(yīng)力的情況下，氫化物的取向主要，氫化物的取向主要取決取決于鋯于鋯管的織構(gòu)。為了得管的織構(gòu)。為了得 到周向氫化物取到周向氫化物取 向，在加工時要向，在加工時要 求獲得徑向

17、基極求獲得徑向基極 （C C軸）結(jié)構(gòu)；軸）結(jié)構(gòu)；氫化物的取向氫化物的取向 如果鋯管內(nèi)如果鋯管內(nèi)存在存在 殘余內(nèi)應(yīng)力、熱殘余內(nèi)應(yīng)力、熱 應(yīng)力或工作應(yīng)力應(yīng)力或工作應(yīng)力等，氫化物取向會自行轉(zhuǎn)向，其再取等，氫化物取向會自行轉(zhuǎn)向，其再取 向與拉應(yīng)力垂直，與壓應(yīng)力平行，稱為向與拉應(yīng)力垂直，與壓應(yīng)力平行，稱為應(yīng)力取向效應(yīng)應(yīng)力取向效應(yīng)。5.3 5.3 鋯合金鋯合金第17頁/共33頁 鋯合金的輻照生長鋯合金的輻照生長所謂輻照生長就是在快中子輻照下，金屬晶體在某個特定所謂輻照生長就是在快中子輻照下，金屬晶體在某個特定的方向上伸長，其他方向上收縮，體積不變的現(xiàn)象的方向上伸長，其他方向上收縮，體積不變的現(xiàn)象也就是說，

18、在沒有應(yīng)力作用下，快中子輻照使也就是說，在沒有應(yīng)力作用下，快中子輻照使 -Zr-Zr密排六密排六方晶胞縮短變粗且體積不變的現(xiàn)象，叫方晶胞縮短變粗且體積不變的現(xiàn)象，叫輻照生長輻照生長鋯在輻照下呈現(xiàn)鋯在輻照下呈現(xiàn)a a軸生長，軸生長，c c軸縮短。軸縮短。5.3 5.3 鋯合金鋯合金第18頁/共33頁 鋯合金的輻照生長鋯合金的輻照生長鋯包殼存在織構(gòu)，通過合適的加鋯包殼存在織構(gòu)，通過合適的加工制度，得到接近徑向基極織構(gòu)工制度，得到接近徑向基極織構(gòu)中子輻照下鋯合金包殼中子輻照下鋯合金包殼管織構(gòu)的生長管織構(gòu)的生長輻照生長導(dǎo)致元件包殼管沿輻照生長導(dǎo)致元件包殼管沿其軸向伸長，壁厚和直徑方其軸向伸長，壁厚和直

19、徑方向減小向減小燃料棒彎曲失效燃料棒彎曲失效所以：所以：輻照生長造成的畸變是反輻照生長造成的畸變是反應(yīng)堆燃耗極限的又一因素應(yīng)堆燃耗極限的又一因素5.3 5.3 鋯合金鋯合金第19頁/共33頁鋯合金鋯合金 輻照對鋯合金力學(xué)性能的影響輻照對鋯合金力學(xué)性能的影響鋯合金輻照性能的變化規(guī)律與其它結(jié)構(gòu)材料相同，輻鋯合金輻照性能的變化規(guī)律與其它結(jié)構(gòu)材料相同，輻照后表現(xiàn)出材料強度升高、塑性下降等損傷效應(yīng)，即照后表現(xiàn)出材料強度升高、塑性下降等損傷效應(yīng)，即輻照硬化輻照硬化和和輻照脆化輻照脆化，這給鋯合金包殼管和部件的安，這給鋯合金包殼管和部件的安全使用帶來了威脅全使用帶來了威脅. .第20頁/共33頁 鋯合金包殼

20、管的堆內(nèi)行為鋯合金包殼管的堆內(nèi)行為輻照對拉伸性能的影響輻照對拉伸性能的影響輻照后強度（屈服強度和抗拉強度）升高，延伸率下降輻照后強度（屈服強度和抗拉強度）升高，延伸率下降輻照對鋯合金拉伸性能的影響第21頁/共33頁 芯塊與包殼的相互作用（芯塊與包殼的相互作用（PCIPCI）PCIPCI是指燃料元件芯塊與包殼之間的機械相互作用和化學(xué)是指燃料元件芯塊與包殼之間的機械相互作用和化學(xué)相互作用共同引起的元件破損現(xiàn)象，即相互作用共同引起的元件破損現(xiàn)象，即PCI=PCMI + PCCIPCI=PCMI + PCCI（或（或FCCIFCCI）鋯包殼管在堆內(nèi)受力，應(yīng)力主要來源于芯塊的變形。鋯包殼管在堆內(nèi)受力，應(yīng)

21、力主要來源于芯塊的變形。 當燃耗達到一定值后，芯塊與包殼貼近，在反應(yīng)堆功當燃耗達到一定值后，芯塊與包殼貼近，在反應(yīng)堆功率循環(huán)或劇增時，芯塊畸變使包殼受到很大的應(yīng)力，率循環(huán)或劇增時，芯塊畸變使包殼受到很大的應(yīng)力，包括包殼管的軸向拉應(yīng)力和徑向局部應(yīng)力包括包殼管的軸向拉應(yīng)力和徑向局部應(yīng)力 在高燃耗下，燃料元件內(nèi)侵蝕性裂變產(chǎn)物濃度增加，在高燃耗下，燃料元件內(nèi)侵蝕性裂變產(chǎn)物濃度增加，超過臨界值，會產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕超過臨界值，會產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕PCIPCI對核電站的安全、經(jīng)濟和高效運行有直接的影響，是對核電站的安全、經(jīng)濟和高效運行有直接的影響，是燃料棒使用壽命的限制因素之一燃料棒使用壽命的限制因素之一5.3 5.

22、3 鋯合金鋯合金第22頁/共33頁 芯塊與包殼的相互作用（芯塊與包殼的相互作用（PCIPCI） 產(chǎn)生產(chǎn)生PCIPCI的原因及伴生現(xiàn)象的原因及伴生現(xiàn)象 原因：原因：在水冷動力堆工況下，在水冷動力堆工況下，UOUO2 2芯塊的平均溫芯塊的平均溫度（度（16001600o oC)C)比包殼管（比包殼管（300300o oC C）高；）高；UOUO2 2的膨脹系的膨脹系數(shù)（數(shù)（1111 1010-6 -6/ /o oC C）比鋯合金（）比鋯合金（ 6.2 6.2 1010-6 -6/ /o oC C）大；芯）大；芯塊又有畸變和腫脹，所以在功率躍增時，當二者塊又有畸變和腫脹，所以在功率躍增時，當二者之間

23、的間隙消失后，芯塊會擠壓包殼產(chǎn)生雙軸拉之間的間隙消失后，芯塊會擠壓包殼產(chǎn)生雙軸拉應(yīng)力從而使包殼發(fā)生軸向和徑向變形。因此每次應(yīng)力從而使包殼發(fā)生軸向和徑向變形。因此每次功率循環(huán)（開、停堆及電網(wǎng)負荷變化），包殼也功率循環(huán)（開、停堆及電網(wǎng)負荷變化），包殼也隨之發(fā)生相應(yīng)的塑性變形隨之發(fā)生相應(yīng)的塑性變形5.3 5.3 鋯合金鋯合金第23頁/共33頁 芯塊與包殼機械相互作用（芯塊與包殼機械相互作用（PCMIPCMI）徑向變形徑向變形：產(chǎn)生環(huán)脊產(chǎn)生環(huán)脊。燃料芯塊是有限。燃料芯塊是有限 長圓柱體，在溫度梯度下，芯塊中心溫長圓柱體，在溫度梯度下，芯塊中心溫 度明顯地比外圍高，因此芯塊發(fā)生熱膨度明顯地比外圍高，因此

24、芯塊發(fā)生熱膨 脹而變形，在自重的作用下，呈現(xiàn)沙漏脹而變形，在自重的作用下，呈現(xiàn)沙漏 狀。當芯塊與包殼貼緊后，燃料元件外觀出現(xiàn)竹節(jié)狀狀。當芯塊與包殼貼緊后，燃料元件外觀出現(xiàn)竹節(jié)狀 （環(huán)脊）。環(huán)脊位置在兩個芯塊的界面上，該處是包（環(huán)脊）。環(huán)脊位置在兩個芯塊的界面上，該處是包 殼承受應(yīng)力最集中的地方，也是應(yīng)變最集中的部位殼承受應(yīng)力最集中的地方，也是應(yīng)變最集中的部位軸向變形（棘輪機制）軸向變形（棘輪機制）：使包殼管變長使包殼管變長。當燃料元件。當燃料元件 運行到一定燃耗，芯塊與包殼間隙閉合而發(fā)生接觸。運行到一定燃耗，芯塊與包殼間隙閉合而發(fā)生接觸。 此時，會產(chǎn)生兩個力，徑向拉應(yīng)力使包殼此時，會產(chǎn)生兩個力

25、，徑向拉應(yīng)力使包殼/ /芯塊進一步貼緊；芯芯塊進一步貼緊；芯 塊和包殼之間產(chǎn)生摩擦力，當芯塊發(fā)生軸向伸長時，塊和包殼之間產(chǎn)生摩擦力，當芯塊發(fā)生軸向伸長時， 該摩擦力該摩擦力 會使包殼隨燃料芯塊的伸長而伸長。當功會使包殼隨燃料芯塊的伸長而伸長。當功 率下降時，芯塊柱與包殼脫開，芯塊落下。功率再率下降時，芯塊柱與包殼脫開，芯塊落下。功率再 次提升時，摩擦力再次產(chǎn)生，包殼在此伸長，即次提升時，摩擦力再次產(chǎn)生，包殼在此伸長，即每每 次都有一定的塑性變形，即棘輪效應(yīng)次都有一定的塑性變形，即棘輪效應(yīng)。該效應(yīng)導(dǎo)致。該效應(yīng)導(dǎo)致 燃料棒彎曲燃料棒彎曲5.3 5.3 鋯合金鋯合金第24頁/共33頁 芯塊與包殼的相

26、互作用（芯塊與包殼的相互作用（PCIPCI） PCCI/SCCPCCI/SCC燃料元件在堆內(nèi)輻照的中、后期，燃料元件在堆內(nèi)輻照的中、后期，特別是芯塊與包殼接觸后，會產(chǎn)特別是芯塊與包殼接觸后，會產(chǎn)生很大的拉應(yīng)力；同時侵蝕性裂生很大的拉應(yīng)力；同時侵蝕性裂變產(chǎn)物如碘、銫、鎘等已有相當變產(chǎn)物如碘、銫、鎘等已有相當濃度，并沉積在芯塊與包殼內(nèi)壁濃度，并沉積在芯塊與包殼內(nèi)壁之間，就會形成燃料包殼的應(yīng)力之間，就會形成燃料包殼的應(yīng)力腐蝕開裂（腐蝕開裂（SCCSCC）PCMIPCMIFCCIFCCI侵蝕性裂變產(chǎn)物引起的侵蝕性裂變產(chǎn)物引起的SCCSCC有閾值（應(yīng)力閾值、應(yīng)變有閾值（應(yīng)力閾值、應(yīng)變閾值以及濃度閾值），

27、當閾值以及濃度閾值），當?shù)陀谶@些閾值時，可避免低于這些閾值時，可避免SCCSCC5.3 5.3 鋯合金鋯合金第25頁/共33頁第26頁/共33頁 CANDUCANDU堆燃料棒束包殼：堆燃料棒束包殼：Zr-4Zr-4合金合金5.3 5.3 鋯合金鋯合金CANDU6型重水堆型重水堆燃料棒束：燃料棒束： UO2芯塊；芯塊； 鋯包殼；鋯包殼； 石墨中間層；石墨中間層； 端塞；端塞； 隔離塊；隔離塊； 支承墊；支承墊； 端板端板第27頁/共33頁 鋯合金包殼管的制造工藝鋯合金包殼管的制造工藝鋯鉿分離鋯鉿分離合金熔煉合金熔煉擠壓成管胚擠壓成管胚冷加工（冷軋）冷加工（冷軋）最終退火最終退火表面處理表面處理成

28、品管檢驗與試驗成品管檢驗與試驗碘化法碘化法5.3 5.3 鋯合金鋯合金第28頁/共33頁 鋯合金包殼管的堆內(nèi)行為鋯合金包殼管的堆內(nèi)行為 按壓水堆燃料元件設(shè)計安全準則，壽期末包殼中氫含量應(yīng)按壓水堆燃料元件設(shè)計安全準則，壽期末包殼中氫含量應(yīng)小于小于250250 g/gg/g 鋯合金于高溫水氧化反應(yīng)生成氫，部分鋯合金于高溫水氧化反應(yīng)生成氫，部分被合金基體吸收，在高溫時固溶在基體中。被合金基體吸收，在高溫時固溶在基體中。固溶度（或稱溶解度）表示為：固溶度（或稱溶解度）表示為：式中：式中：N0固溶度，固溶度， g/g R-氣體常數(shù)氣體常數(shù) T- 溫度，溫度， KCIAECIAE，龍斌，龍斌p 吸氫和氫脆吸氫和氫脆 堆用鋯合金的氫來源于加工時的自然吸氫、芯塊殘堆用鋯合金的氫來源于加工時的自然吸氫、芯塊殘