核反應(yīng)堆材料

關(guān)于核反應(yīng)堆材料主要內(nèi)容2.核燃料

3.慢化劑材料

4.冷卻劑材料

5.結(jié)構(gòu)材料

1.材料的輻照效應(yīng)

第2頁(yè),共60頁(yè)，2024年2月25日，星期天反應(yīng)堆材料在核電站中的作用和地位是十分重要的：1.反應(yīng)堆安全的重點(diǎn)是防止堆內(nèi)放射性物質(zhì)外逸；2.核電廠的可靠性和經(jīng)濟(jì)性也與材料密切相關(guān)；3.反應(yīng)堆材料對(duì)各種堆型的設(shè)計(jì)、建造和壽命也有密切的關(guān)系；4.反應(yīng)堆材料對(duì)反應(yīng)堆的建設(shè)質(zhì)量和水平以及系列化、商品化和改進(jìn)與發(fā)展都起著重要的先導(dǎo)作用。核動(dòng)力設(shè)備的材料必須按照其使用條件合理選用，必須符合國(guó)家制定的相應(yīng)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)前言第3頁(yè),共60頁(yè)，2024年2月25日，星期天核電站材料問題建造、運(yùn)行上出現(xiàn)的問題多半與材料有關(guān)；國(guó)內(nèi)：秦山二期壓力容器、田灣蒸汽發(fā)生器…國(guó)外：Davis-Besse封頭腐蝕，南Texas下部?jī)x表管腐蝕…反應(yīng)堆材料的工況比較復(fù)雜：溫度、壓力和腐蝕介質(zhì)、中子輻照、震動(dòng)、流體沖刷等；設(shè)計(jì)時(shí)，堆材料的使用性能需與工況要求相互匹配，并留有充足余量，需要通過合理選材、改進(jìn)工藝或開發(fā)新材料，以降低成本、延長(zhǎng)壽命和改進(jìn)堆型。在核電站的定型化、標(biāo)準(zhǔn)化、系列化和商品化的各階段中，都需要有大量材料數(shù)據(jù)作基礎(chǔ)。

第4頁(yè),共60頁(yè)，2024年2月25日，星期天2002年3月6日，Davis-BesseUSA2004年8月9日，日本美濱給水管2003年4月12日，南TexasUSA第5頁(yè),共60頁(yè)，2024年2月25日，星期天核性能力學(xué)性能化學(xué)性能物理性能輻照性能工藝性能經(jīng)濟(jì)性反應(yīng)堆材料的性能應(yīng)滿足下列要求:第6頁(yè),共60頁(yè)，2024年2月25日，星期天反應(yīng)堆材料的性能要求-1（1）核性能為減少中子消耗、降低235U的臨界質(zhì)量(堆芯臨界尺寸)和濃度(富集度)，除控制材料外，堆芯所有結(jié)構(gòu)材料的中子吸收截面都應(yīng)該盡可能地?。粸闇p少放射性危害，制造反應(yīng)堆的材料活化截面也應(yīng)該盡可能小，含長(zhǎng)半衰期元素少，如Co。第7頁(yè),共60頁(yè)，2024年2月25日，星期天3反應(yīng)堆材料的性能要求-2（2）機(jī)械性能強(qiáng)度、塑韌性和熱強(qiáng)性高，缺口敏感性和晶體長(zhǎng)大傾向性小。（3）化學(xué)性能抗腐蝕、抗高溫氧化能力強(qiáng)；點(diǎn)腐蝕、晶間腐蝕和應(yīng)力腐蝕傾向性小。（4）輻照性能輻照期間組織、結(jié)構(gòu)應(yīng)穩(wěn)定，脆化、腫脹等輻照效應(yīng)和PCI（芯塊與包殼的相互作用）?。浑s質(zhì)和氣體合量少，純潔度高，尤其Cu、P、S含量應(yīng)盡量少，成分偏析小；晶粒和沉淀強(qiáng)化相要細(xì)小穩(wěn)定。第8頁(yè),共60頁(yè)，2024年2月25日，星期天3反應(yīng)堆材料的性能要求-3(5)工藝性能冶煉、鑄造、煅壓、冷加工和焊接性能都應(yīng)良好；淬透性大，無時(shí)效、回火脆性和二次硬化以及延遲脆性等傾向。(6)物理性能導(dǎo)熱率大，熱膨脹系數(shù)??；(7)經(jīng)濟(jì)性工藝簡(jiǎn)單易行，原材料來源方便，制造成本低廉。在滿足上述要求基礎(chǔ)上，應(yīng)優(yōu)先選用工藝成熟，使用經(jīng)驗(yàn)豐富的材料。第9頁(yè),共60頁(yè)，2024年2月25日，星期天輻照產(chǎn)生的晶體缺陷是引起材料性能變化的根源，由于性能的變化直接關(guān)系到反應(yīng)堆的安全和壽命，因而工程上最關(guān)心的就是輻照效應(yīng)。來源：α、β粒子,γ射線,中子和裂變碎片1.材料的輻照效應(yīng)（1）帶電粒子和γ射線

β粒子、γ射線通過物質(zhì)時(shí)會(huì)引起電離或電子激發(fā)，即它們僅擾動(dòng)物質(zhì)中原子和電子。由于β射線的射程短，因此電離主要是由于γ射線的影響。電離作用使化合物的化學(xué)鍵破壞而分解成單體。由于α粒子在物質(zhì)中射程較短，在熱中子反應(yīng)堆中，它們并不重要，暫不討論。第10頁(yè),共60頁(yè)，2024年2月25日，星期天在反應(yīng)堆中，中子是引起材料輻照損傷的重要原因，中子進(jìn)入物質(zhì)后與原子發(fā)生碰撞，并把大量能量傳遞給原子，被碰撞的原子離開原來晶體點(diǎn)陣中的平衡位置，成為間隙原子，并留下一個(gè)相應(yīng)的空穴。這樣或多或少都會(huì)在晶體中造成永久的缺陷，從而引起材料物理化學(xué)性質(zhì)的永久性質(zhì)的變化。這樣的效應(yīng)通常稱為輻照損傷。（2）中子反沖核電離和電子激發(fā)γ射線位移峰快中子激發(fā)的復(fù)核熱中子由于(n,p)(n,α)反應(yīng)產(chǎn)生雜質(zhì)原子位移原子（間隙原子和空穴）吸收(n,p)(n,α)反沖核射程結(jié)束第11頁(yè),共60頁(yè)，2024年2月25日，星期天對(duì)于大多數(shù)金屬，其位移能約為25eV。則由上式可求出對(duì)質(zhì)量數(shù)為A的原子發(fā)生位移所必需的中子初始能量En。例如對(duì)于Fe，A=56，要把一個(gè)鐵原子撞出平衡位置，中子初始能量至少為363eV。對(duì)于能量為1MeV的中子，可以在鐵中發(fā)生一次彈性碰撞將評(píng)價(jià)使幾百個(gè)原子產(chǎn)生位移。其中某些位移原子有可能移動(dòng)到另一個(gè)空位而不造成材料缺陷?？熘凶哟┻^物質(zhì)產(chǎn)生大量位移原子，這些位移原子都在一次碰撞原子附件很小的體積內(nèi)產(chǎn)生，主要導(dǎo)致大量的能量傳遞給這樣的小體積的物質(zhì)，從而使這塊小體積物質(zhì)在短時(shí)間內(nèi)溫度升高甚至熔化。中子在彈性碰撞中所能傳遞的最大能量E為第12頁(yè),共60頁(yè)，2024年2月25日，星期天對(duì)于具有較大熱中子吸收截面的材料。（n，γ）反應(yīng)產(chǎn)物是靶核的同位素產(chǎn)物沒有放射性，那么發(fā)生光子時(shí)，核會(huì)被反沖從而引起原子位移；產(chǎn)物有放射性，那么其放出的粒子會(huì)使材料中摻入雜質(zhì)原子。（n，α），（n，β）反應(yīng)直接產(chǎn)生雜質(zhì)原子。相比于快中子，每次俘獲產(chǎn)生的雜質(zhì)原子只有一個(gè)，所以熱中子俘獲引起的輻照損傷比快中子小。第13頁(yè),共60頁(yè)，2024年2月25日，星期天

（3）裂變碎片裂變碎片帶有大部分裂變所釋放的能量，因此它也使原子發(fā)生位移。且由于它的射程短，所以原子位移只發(fā)生在發(fā)生裂變附近極小的區(qū)域出現(xiàn)，所形成的位移峰效應(yīng)和快中子相似。裂變碎片會(huì)使核燃料點(diǎn)陣中摻入雜質(zhì)原子，而裂變碎片相比于重核（核燃料）具有較低的固體密度，從而導(dǎo)致燃料體積的腫脹。氣體裂變產(chǎn)物將聚集成氣泡，其體積比核燃料原子大許多倍，是造成很燃料體積腫脹的重要原因。第14頁(yè),共60頁(yè)，2024年2月25日，星期天(1)熱導(dǎo)率高；(2)抗輻照能力強(qiáng)，以達(dá)到高的燃耗；(3)燃料的化學(xué)穩(wěn)定性好。燃料對(duì)冷卻劑具有抗腐蝕能力；(4)熔點(diǎn)高，且在低熔點(diǎn)時(shí)不發(fā)生有害的相變；(5)機(jī)械性能好，易于加工。

核燃料：在反應(yīng)堆內(nèi)能使核裂變反應(yīng)自持的易裂變物質(zhì)。可作為核燃料的易裂變物質(zhì)是鈾-233、鈾-235和钚-239。其中鈾-235是天然存在的，而鈾-233和钚-239分別由釷-232和鈾-238用人工方法轉(zhuǎn)換而得。2.核燃料

核燃料要求

第15頁(yè),共60頁(yè)，2024年2月25日，星期天

核燃料分類

第16頁(yè),共60頁(yè)，2024年2月25日，星期天1）金屬型燃料：金屬鈾的優(yōu)點(diǎn)：鈾的核密度高，導(dǎo)熱性能好。缺點(diǎn)是燃料的工作溫度低化學(xué)活性強(qiáng)，在常溫下也會(huì)與水起劇烈反應(yīng)而產(chǎn)生氫氣，在空氣中會(huì)氫化，粉末狀態(tài)的鈾易著火。在高溫下只能與少數(shù)冷卻劑相容。鈾合金與金屬鈾相比，其優(yōu)點(diǎn)是能改善輻照穩(wěn)定性、增加抗高溫水腐蝕性能。缺點(diǎn)是合金元素會(huì)使中子有害吸收增加，需采用富集鈾。用于動(dòng)力堆的只有鈾-鋯合金。2）陶瓷型燃料：二氧化鈾優(yōu)點(diǎn)：抗輻照能力強(qiáng)，對(duì)裂變氣體包容量大，輻照下尺寸變化很小，因此能達(dá)到高的比燃耗；熔點(diǎn)高，高溫穩(wěn)定性好；具有極好的抗高溫水及鈉的腐蝕能力，與包殼的相容性好。主要缺點(diǎn)是導(dǎo)熱性能差，燃料元件內(nèi)徑向溫度梯度大，所產(chǎn)生的熱應(yīng)力會(huì)使圓柱狀的燃料芯塊產(chǎn)生輻射狀裂縫．同時(shí)晶粒的結(jié)構(gòu)也發(fā)生改變。核燃料特點(diǎn)第17頁(yè),共60頁(yè)，2024年2月25日，星期天第18頁(yè),共60頁(yè)，2024年2月25日，星期天第19頁(yè),共60頁(yè)，2024年2月25日，星期天碳化鈾的優(yōu)點(diǎn)：高溫下化學(xué)穩(wěn)定性好；熱導(dǎo)率比二氧化鈾大許多倍，因此在相當(dāng)高的比功率下也不致造成中心熔化；它的理論密度較高(13．63g／cm3)。因而每單位體積中含鈾量比二氧化鈾多。缺點(diǎn)是容易和水及蒸汽發(fā)生反應(yīng)；包容裂變氣體的能力不如二氧化鈾，因此在高溫下腫脹率大。氮化鈾燃料的優(yōu)點(diǎn)：抗輻照、抗高溫蠕變能力強(qiáng)；熱導(dǎo)率高，和碳化鈾相當(dāng)；含鈾密度比二氧化鈾、碳化鈾都高；在空氣中不發(fā)生明顯的腐蝕；用作快堆構(gòu)料時(shí)增殖比大于二氧化鈾燃料。尤其是成分為(U0.8Pu0.2)N混合氮化物，與包殼的相容性好，腫脹較低。但高溫下容易分解，所以，中心溫度必須小于1250℃。此外，氮對(duì)中子的有害吸收較氧和碳大，使燃料循環(huán)成本增加。第20頁(yè),共60頁(yè)，2024年2月25日，星期天3）彌散型燃料：彌散型燃料是由二氧化鈾或碳化鈾等陶瓷燃料顆粒，依所需的物理性質(zhì)彌散在金屬、非金屬或陶瓷基體上所組成。其優(yōu)點(diǎn)是能比合金燃料承受更高的燃耗。彌散型燃料的基體應(yīng)具有較小的中子吸收截面。在制作過程中應(yīng)使燃料顆粒足夠分散，這樣，裂變碎片造成的輻照損傷區(qū)不會(huì)發(fā)生重疊，從而使燃料元件能在較高的燃耗下個(gè)發(fā)生明顯的腫脹。彌散型燃料的各種性質(zhì)與基體材料類似，通常具有較高的強(qiáng)度，導(dǎo)熱性好，耐冷卻劑腐蝕。但由于彌散型燃料中基體材料所占的百分比大，燃料顆粒彌散后會(huì)受到稀釋，故必須采用富集鈾。第21頁(yè),共60頁(yè)，2024年2月25日，星期天對(duì)固體慢化劑要求：(1)中子吸收截面小，質(zhì)量數(shù)低，散射截面大；(2)熱穩(wěn)定性及輻射穩(wěn)定性好；(3)傳熱性能好；(4)密度高；(5)價(jià)廉易得。

對(duì)液體慢化劑的要求：（1）熔點(diǎn)在室溫以下，高溫下蒸汽壓要低（2）良好的傳熱性能（3）良好的熱穩(wěn)定性和輻照穩(wěn)定性（4）原子密度高（5）不腐蝕結(jié)構(gòu)材料3.慢化劑材料此外，對(duì)固體慢化劑還要求結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高，抗腐蝕性能好，易于加工。對(duì)液體慢化劑要求不腐蝕結(jié)構(gòu)材料，熔點(diǎn)在室溫以下，高溫時(shí)具有低的蒸汽壓。第22頁(yè),共60頁(yè)，2024年2月25日，星期天1）石墨

石墨分為天然石墨和人造石墨兩種。天然石墨:天然石墨是一種非金屬礦物。按其結(jié)晶的形狀分兩種：形狀呈顆粒狀的叫致密土狀石墨;形狀呈魚鱗片的叫鱗片狀石墨。我國(guó)的石墨資源以鱗片狀石墨礦為主。

人造石墨:人造石墨是以無煙煤、焦碳、瀝青等原料，經(jīng)過煅燒、粉碎、篩分、成型、石墨化等工藝過程而制成的產(chǎn)品。反應(yīng)堆用石墨的要求：純度高；密度高；石墨化程度高。分類：輻照對(duì)石墨的影響：熱導(dǎo)率下降；尺寸變化；潛能。在快中子輻照下，石墨熱焓的增量稱為潛能。當(dāng)潛能釋放率大于石墨比熱容時(shí)，潛能就可以在無外熱源的條件下自持釋放，使石墨溫度上升數(shù)百度，甚至上升千度，可導(dǎo)致石墨慢化材料嚴(yán)重氧化和損傷。

第23頁(yè),共60頁(yè)，2024年2月25日，星期天2）鈹鈹是較好的慢化劑和反射層材料。優(yōu)點(diǎn)：慢化能力比石墨大、高溫強(qiáng)度好、熔點(diǎn)、熱導(dǎo)率、比熱都比較高，所以適用于高溫反應(yīng)堆，較強(qiáng)的抗腐蝕能力，尤其在二氧化碳中穩(wěn)定性良好。缺點(diǎn)：較脆、難于加工、輻照性能差，且鈹有毒、價(jià)格貴。3）氧化鈹氧化鈹是陶瓷燃料，熱中子吸收截面小、慢化能力大、熔點(diǎn)高，可在高溫液態(tài)金屬反應(yīng)堆和高溫氣冷堆中做慢化劑、反射層及核材料基體。優(yōu)點(diǎn)：具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性，在高溫液態(tài)金屬、二氧化碳等中都是穩(wěn)定的。缺點(diǎn)：但在濕空氣中加熱會(huì)生成毒性的氫氧化鈹揮發(fā)物，因此比金屬鈹難于加工。第24頁(yè),共60頁(yè)，2024年2月25日，星期天4）普通水優(yōu)點(diǎn)：慢化能力優(yōu)越、價(jià)格低、熱中子徙動(dòng)長(zhǎng)度小、可同時(shí)作為慢化劑和冷卻劑。缺點(diǎn)：熱中子吸收截面相當(dāng)高，相應(yīng)堆型只能夠使用濃縮鈾作為燃料、沸點(diǎn)低，用于反應(yīng)堆時(shí)需加高壓。5）重水優(yōu)點(diǎn)：慢化能力好、慢化比高。缺點(diǎn)：沸點(diǎn)101.42℃，因此在高溫的反應(yīng)堆仍然需要加高壓。重水需要濃集（電解法、蒸餾法、化學(xué)交換法）。第25頁(yè),共60頁(yè)，2024年2月25日，星期天中子吸收和感生放射性小；高的沸點(diǎn)和低的熔點(diǎn)；高的比熱，唧送功率低；熱導(dǎo)率大；有良好的熱和輻照穩(wěn)定性；和系統(tǒng)其他材料相容性好；價(jià)格便宜。4.冷卻劑材料冷卻劑材料要求第26頁(yè),共60頁(yè)，2024年2月25日，星期天常用冷卻劑水水作為冷卻劑和慢化劑主要應(yīng)用于輕水堆沸點(diǎn)低、存在沸騰臨界、在高溫下有腐蝕作用重水重水慢化堆采用重水作冷卻劑的好處是可以減少核燃料的裝載量或降低核燃料的濃縮度價(jià)格昂貴鈉鈉作為冷卻劑主要應(yīng)用于快中子堆。鈉水劇烈反應(yīng)、溫度梯度質(zhì)量遷移、金屬的擴(kuò)散結(jié)合、存在由反應(yīng)性正空泡效應(yīng)引起的控制和安全問題。氣體氣體作為冷卻劑主要應(yīng)用于氣冷堆因運(yùn)行壓力和流量大而消耗功率大、價(jià)格昂貴、泄漏問題。第27頁(yè),共60頁(yè)，2024年2月25日，星期天包括：燃料包殼材料、堆內(nèi)構(gòu)件材料、反應(yīng)堆壓力容器材料、反應(yīng)堆回路材料、蒸汽發(fā)生器材料、屏蔽材料和安全殼材料。5.結(jié)構(gòu)材料a.鋁、鎂及其合金b.鋯合金c.不銹鋼d.鎳基合金e.碳鋼f.混凝土幾種結(jié)構(gòu)材料第28頁(yè),共60頁(yè)，2024年2月25日，星期天核燃料芯塊外面通常都有一層金屬保護(hù)層，即燃料包殼：保護(hù)燃料芯塊不受冷卻劑的侵蝕；避免燃料中裂變產(chǎn)物外泄，使冷卻劑免受污染；保持燃料元件的幾何形狀并使之有足夠的剛度和機(jī)械強(qiáng)度。包殼是反應(yīng)堆中工況最苛刻的重要部件。其工況條件為：包容核燃料，承受高溫、高壓和強(qiáng)烈的中子輻照；包殼內(nèi)壁受裂變氣體壓力、腐蝕、燃料腫脹、吸氫致脆和芯塊與包殼的相互作用等危害；包殼外壁受冷卻劑壓力、沖刷、振動(dòng)和腐蝕以及氫脆等威脅。減小元件破損率、保證包殼的完整性是提高元件燃耗、保證反應(yīng)堆正常、高效和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的重要前提和主要制約因素。1）包殼材料第29頁(yè),共60頁(yè)，2024年2月25日，星期天對(duì)包殼材料的性能要求核性能：小的中子吸收截面，輻照穩(wěn)定性特別是熱中子堆或用天然鈾作燃料的反應(yīng)堆，對(duì)包殼材料中子吸收截面的限制十分嚴(yán)格。對(duì)快中子堆，大多數(shù)元素的快中子吸收截面很小，選擇材料的余地就較大。但對(duì)材料的、及耐蝕性的要求更為突出通常選用截面小于1巴的金屬為主要組分，吸收截面為數(shù)巴的元素作為合金化元素，截面在幾十巴的雜質(zhì)的含量限制在量級(jí)。機(jī)械性能：足夠的機(jī)械強(qiáng)度(高溫強(qiáng)度)化學(xué)性能：抗腐蝕性能、與冷卻劑、裂變產(chǎn)物及燃料的相容性；第30頁(yè),共60頁(yè)，2024年2月25日，星期天常見的包殼材料可作為包殼材料和堆內(nèi)結(jié)構(gòu)材料的金屬元素必須是低中子吸收截面的材料。根據(jù)它們的性能特點(diǎn)，各種材料的包殼用于不同的堆型。如Al和Al合金用于低溫水冷堆；壓水堆中用Zr合金(如Zr-4)，BWR用Zr-2合金；Nb用于快中子堆。一些金屬的中子吸收截面及熔點(diǎn)第31頁(yè),共60頁(yè)，2024年2月25日，星期天鋯的物理性質(zhì)銀白色的金屬，熔點(diǎn)1845oC金屬鋯的物理性質(zhì)a相

b相862oC塑性比較差0.8%體積變化延展性好，冷加工變形達(dá)80％第32頁(yè),共60頁(yè)，2024年2月25日，星期天鋯的化學(xué)性質(zhì)鋯是一種耐蝕性很強(qiáng)的金屬：鋯在室溫下不易氧化，但隨溫度升高，易形成穩(wěn)定的氧化物有很強(qiáng)的耐酸、堿能力在高溫水中的耐蝕性也很好。在氧化動(dòng)力學(xué)曲線上有一從拋物線型到直線型的“轉(zhuǎn)折點(diǎn)”，在此點(diǎn)之前，在鋯表面生成黑色、致密、呈保護(hù)性的非化學(xué)計(jì)量的氧化鋯；在轉(zhuǎn)折點(diǎn)后所生成的氧化膜則為白色﹑疏松的非保護(hù)性的化學(xué)計(jì)量氧化鋯，易于呈薄片狀剝落第33頁(yè),共60頁(yè)，2024年2月25日，星期天鋯合金的合金化目的鋯的性能很容易受雜質(zhì)的影響鋯與鉿(Hf)的化學(xué)性質(zhì)很相近，而鉿的熱中子吸收截面(~105靶)遠(yuǎn)大于鋯，自然存在的鋯中鉿含量一般為0.5~3.0％，所以必須嚴(yán)格控制鋯中的含鉿量，一般應(yīng)低于100ppm。氮、碳、鈦、鋁等雜質(zhì)元素，即使是微量也對(duì)鋯的抗蝕性能的影響也很顯著。其中以氮最為有害。Zr的氧化是通過氧的擴(kuò)散進(jìn)行的，氮離子(N3-)置換氧化鋯中的氧離子(O2-)，同時(shí)產(chǎn)生附加的空位，增加了氧的擴(kuò)散速率，從而使氧化加劇。高純鋯有良好的抗蝕性，但對(duì)純度要求苛刻，價(jià)格昴貴，因此工程中多降低對(duì)原料純度要求，通過合金化提高其抗蝕性和機(jī)械性能。鋯合金化的主要目的是抑制有害元素的作用。第34頁(yè),共60頁(yè)，2024年2月25日，星期天鋯合金的發(fā)展1950s以來Zr-2、Zr-4、Zr-1Nb合金在商業(yè)堆中用作燃料組件部件；Zr-2.5Nb合金壓力管1980s和1990s發(fā)展了低Sn含量Zr-4合金，同時(shí)推動(dòng)了新型鋯合金的發(fā)展ZIRLO、E635（70年代末）

M4、M5（80年代初）NDA、ELS（80年代末）N18、N36、HANG（90年代初）ZIRLO、M5、E635已商業(yè)化N18、ELS、DNA、HANG堆內(nèi)考驗(yàn)代替Zr-4或Zr-2合金國(guó)際上鋯合金的發(fā)展第35頁(yè),共60頁(yè)，2024年2月25日，星期天鋯合金幾種典型的鋯合金的成分(wt%)堆用鋯合金主要有鋯錫合金和鋯鈮合金兩類：鋯合金的腐蝕、織構(gòu)、吸氫和應(yīng)力腐蝕以及芯塊與包殼的相互作用(PCI)等對(duì)機(jī)械性能危害較大，它們是限制鋯合金使用壽命的重要影響因素。第36頁(yè),共60頁(yè)，2024年2月25日，星期天鋯合金的性能第37頁(yè),共60頁(yè)，2024年2月25日，星期天鋯錫合金Zr-1Zr-2Zr-4Zr－Sn二元合金，抗腐蝕性能不能滿足工程需要適當(dāng)降低Sn含量，添加微量Fe,Cr,Ni元素抗腐蝕性得到改善，同時(shí)提高了機(jī)械強(qiáng)度盡量降低Ni含量到200ppm以下，適量增加Fe減輕氫脆，吸氫量?jī)H為1/3~1/2低錫Zr-4降低Sn含量，適量增加Fe，Cr元素改善水側(cè)腐蝕第38頁(yè),共60頁(yè)，2024年2月25日，星期天鋯鈮合金Zr－2.5Nb合金較高的強(qiáng)度和低的蠕變速度良好的抗吸氫脆化適用于制造高強(qiáng)度壓力管主要問題是焊縫耐蝕性惡化(高溫破壞了強(qiáng)化相)Zr－1Nb合金強(qiáng)度和塑性與Zr-2合金基本相同，耐蝕性略次吸氫量比Zr-2合金小力學(xué)性能與氧含量有密切關(guān)系俄羅斯用作PWR燃料包殼材料新型Zr－1Nb合金M5－法國(guó)Afa－3G包殼材料增加氧作為合金化元素，起強(qiáng)化作用消除其它雜質(zhì)元素，降低腐蝕敏感性第39頁(yè),共60頁(yè)，2024年2月25日，星期天鋯錫鈮合金Zr-SnZr-NbZr-Sn-Nb適當(dāng)調(diào)整Sn、Nb含量，

控制其它微量元素改善抗腐蝕性、氫脆，提高機(jī)械強(qiáng)度美Zirlo俄E635日NDA1％Sn、1％Nb，微量O元素增加Si元素，F(xiàn)e元素低Fe元素高，用于強(qiáng)化以低錫Zr-4為基礎(chǔ)，增加0.1%Nb元素用于強(qiáng)化第40頁(yè),共60頁(yè)，2024年2月25日，星期天鋯合金包殼材料存在的問題高溫下的耐蝕性不足：360℃以上水中的耐蝕性差氫脆鋯合金在運(yùn)行中吸氫而造成燃料包殼破壞是限制燃料元件使用壽命的因素；燃料芯塊與包殼的交互作用(PCI)及包殼的應(yīng)力腐蝕破壞（SCC）鋯合金的堆內(nèi)蠕變和輻照生長(zhǎng)。鋯合金在壓水堆的運(yùn)行溫度下會(huì)發(fā)生蠕變，中子的輻照將使蠕變加速，而且產(chǎn)生輻照生長(zhǎng)，造成包殼塌陷。鋯水反應(yīng)氫氣爆炸第41頁(yè),共60頁(yè)，2024年2月25日，星期天功能：支撐燃料組件以及它們的精確定位；為控制棒及堆芯測(cè)量裝置和輻照監(jiān)督提供支撐和導(dǎo)向；合理分配冷卻劑流量和減少壓力容器內(nèi)表面的中子注量等。要求：(1)強(qiáng)度高、塑韌性大、高溫性能好；(2)中子吸收截面和中子俘獲截面以及感生放射性；(3)抗輻照、耐腐蝕并與冷卻劑相容性好；(4)熱膨脹系數(shù)小，導(dǎo)熱性能好；(5)易加工、成本低。PWR的堆內(nèi)構(gòu)件用材主要是奧氏體不銹鋼，部分材料采用鎳基合金。2）堆內(nèi)結(jié)構(gòu)材料第42頁(yè),共60頁(yè)，2024年2月25日，星期天要求：強(qiáng)度高、塑韌性好、抗輻照、耐腐蝕，與冷卻劑相容性好；純凈度高、偏析和夾雜物少、晶粒細(xì)、組織穩(wěn)定；容易冷熱加工，包括焊接性能好和淬透性大；成本低，高溫高壓下使用經(jīng)驗(yàn)豐富等。應(yīng)用輕水動(dòng)力堆壓力容器早期曾采用A212B鍋爐鋼，但為了提高強(qiáng)度、增大淬透性和改善焊接性能以及隨著堆功率增大等原因，它又經(jīng)歷了A212B(板材)—A302B(板材)—A533B(板材)—A5082(鍛材)—A5083(鍛材)的發(fā)展過程。目前國(guó)內(nèi)外廣泛采用A5083鋼。3）堆內(nèi)壓力容器材料第43頁(yè),共60頁(yè)，2024年2月25日，星期天要求：抗應(yīng)力腐蝕、晶間腐蝕和均勻腐蝕的能力強(qiáng)；基體組織穩(wěn)定、夾雜物少，具有足夠的強(qiáng)度、塑性和熱強(qiáng)性；鑄造和焊接性能好，生產(chǎn)工藝成熟；成本低，有類似工況的使用經(jīng)驗(yàn)；應(yīng)用沸水堆多采用AISI304不銹鋼，壓水堆早期曾采用304或316無縫鋼管?，F(xiàn)在多采用含有少量δ鐵素體的AISI316離心鑄造管?？於岩换芈饭艿蓝嘤?16不銹鋼，二回路管道采用304或316不銹鋼。CANDU重水堆的回路管道也是采用奧氏體不銹鋼。4）反應(yīng)堆回路材料第44頁(yè),共60頁(yè)，2024年2月25日，星期天傳熱管材料要求：熱強(qiáng)性、熱穩(wěn)定性和焊接性能好；基體組織穩(wěn)定，導(dǎo)熱率高、熱膨脹系數(shù)小；抗均勻腐蝕和抗局部腐蝕能力強(qiáng)；具有足夠的塑性和韌性。以便適應(yīng)彎管、脹管的加工和抗振動(dòng)。應(yīng)用壓水堆蒸汽發(fā)生器的傳熱管早期曾采用過18-8型不銹鋼并滿意地使用了三年多。但因奧氏體不銹鋼對(duì)應(yīng)力腐蝕敏感，后被耐熱、耐蝕合金因科鎳—600(Inconel-600)所代替。5）蒸汽發(fā)生器材料第45頁(yè),共60頁(yè)，2024年2月25日，星期天6）屏蔽材料

用于防止光子、中子和放射性射線或熱輻射危害的材料，稱為屏蔽材料。它大量用在反應(yīng)堆周圍，以阻擋各種射線，防止堆內(nèi)中子和γ射線對(duì)人員的危害、設(shè)備的損傷和測(cè)試信號(hào)的干擾等。根據(jù)射線和物質(zhì)相互作用的機(jī)制可知，原子序數(shù)大、密度高的材料常用作屏蔽γ射線，如鉛、鑄鐵和重混凝土等；原子序數(shù)小，密度低的材料，如石墨、石蠟和輕水等常用作屏蔽中子。但對(duì)高能中子也常用重金屬或不銹鋼作屏蔽材料，利用它們對(duì)高能中子的非彈性散射吸收中子能量。另外還常用硼、三氧化二硼或碳化硼的形式與中子屏蔽材料組合使用，以減少(n，γ)反應(yīng)的放射源強(qiáng)度。第46頁(yè),共60頁(yè)，2024年2月25日，星期天安全殼的體積很大，直徑約為40m，高60m左右。內(nèi)層的鋼密封襯是在現(xiàn)場(chǎng)組裝和焊接的，焊前無法預(yù)熱、焊后難以進(jìn)行熱處理。所以要求材料焊接性好、雜質(zhì)少、強(qiáng)度高、塑韌性大。安全殼材料多采用碳錳鋼，如A516，16Mn和15MnNi63鋼等。當(dāng)殼體厚度超過38mm時(shí)，為了提高淬透性，改善強(qiáng)度和韌性以及焊接性能，需采用低合金高強(qiáng)度鋼A537或A387。7）安全殼材料第47頁(yè),共60頁(yè)，2024年2月25日，星期天控制材料是實(shí)現(xiàn)反應(yīng)堆的可調(diào)功能的材料，其特點(diǎn)是中子吸收截面大，對(duì)反應(yīng)推的正反應(yīng)性有抑制、釋放和調(diào)節(jié)的作用。能有效地吸收中子外，能抗腐蝕；在運(yùn)行的溫度和輻照條件下具有化學(xué)和尺寸穩(wěn)定性；有足夠的機(jī)械強(qiáng)度；有良好的熱傳導(dǎo)性以把吸收中子反應(yīng)所產(chǎn)生的熱量導(dǎo)出；價(jià)廉易得，容易加工。常用的控制材料是鉿、鎘、銀-銦-鎘、硼及釓、釤等稀土元素。6.控制材料控制材料要求第48頁(yè),共60頁(yè)，2024年2月25日，星期天鎘鎘具有很高的熱中子吸收截面，而且價(jià)格也夠便宜，但由于熔點(diǎn)低，在中子能量低于0.18eV時(shí)吸收截面很快下降，因此只能用于低溫的研究性反應(yīng)堆中。銀-銦-鎘把熱中子吸收截面打的銦、銀制成合金，具有很強(qiáng)的中子吸收能力。絕大多數(shù)反應(yīng)堆都用這種合金做吸收體。它易于加工，有足夠的強(qiáng)度，但在含硼壓水堆中抗腐蝕性不夠理想。硼熱中子反應(yīng)堆中控制棒和可燃毒物多用含硼材料。天然硼有兩種同位素——硼-10和硼-11，吸收中子主要依靠硼-10。所以把材料中的硼-10富集可提高控制效率。其缺點(diǎn)是吸收中子后產(chǎn)生氦氣，產(chǎn)生的氦氣會(huì)使材料體積膨脹，尤其在高燃耗時(shí)輻照損傷更為嚴(yán)重。硼的應(yīng)用：將碳化硼做成芯塊后裝入不銹鋼管在組合十字形控棒或裝配成棒束型控制棒；在壓水堆中用作化學(xué)補(bǔ)償控制;補(bǔ)償反應(yīng)堆剩余反應(yīng)性。主要控制材料特點(diǎn)第49頁(yè),共60頁(yè)，2024年2月25日，星期天鉿鉿是做水堆控制棒的最好材料。特點(diǎn)：（1）具有相當(dāng)?shù)臒嶂凶游占按蟮某瑹嶂凶游战孛妫?）鉿的四種同位素都有較大吸收截面（3）能以金屬形式且沒有包殼情況下應(yīng)用（4）在高溫水、氦、鈉中都有很好的抗腐蝕性能（5）熔點(diǎn)高、耐熱性好（6）有足夠的機(jī)械強(qiáng)度，滿意的焊接性能和加工性能（7）鉿稀少而昂貴，因而限制了在民用堆上的應(yīng)用稀土元素稀土元素有大的熱中子吸收截面，也有較大的超熱吸收截面。由于稀土元素金屬的活性太高，成本也比稀土氧化物貴，因此都以氧化物的形式應(yīng)用。稀土氧化物的熔點(diǎn)高，但在熱水中會(huì)迅速水解而發(fā)生腫脹，因此即使將稀土氧化物彌散在基體金屬內(nèi)也必須有包殼。第50頁(yè),共60頁(yè)，2024年2月25日，星期天謝謝！第51頁(yè),共60頁(yè)，2024年2月25日，星期天壓水堆都是采用控制棒和冷卻劑中加硼酸(化控)以及固體可燃毒物三種方式聯(lián)合控制。第52頁(yè),共60頁(yè)，2024年2月25日，星期天