[发明专利]一种用于轻水堆较高燃耗下的锆合金材料

说明书

技术领域

本发明涉及一种合金材料，尤其涉及一种用于轻水堆较高燃耗下的锆合金材料。

背景技术

压水堆内较早使用的锆合金是Zr-4合金。国外压水堆燃料组件的平均卸料燃耗在上世纪七十年代末处于30～35GWd/tU。Zr-4合金的Sn含量较高，为1.2～1.7%。运行经验表明，合金的Sn含量高对耐腐蚀性能不利。因此，美国西屋公司在上世纪七十年代开始进行ZIRLO合金的研究，其Sn含量仅为0.90～1.10%。作为Zr-Sn-Nb合金，它的Nb含量为0.80～1.20%，Fe含量为0.08～0.12%，O含量为0.105～0.145%。在压水堆内燃耗为60GWd/tU时，ZIRLO合金的耐腐蚀性能大大优于优化Zr-4合金，氧化膜厚度只有优化Zr-4合金的30%。西屋公司的优化ZIRLO合金的Sn含量进一步下降，为0.6～0.8%，它的耐腐蚀性能比标准的ZIRLO合金更好，在燃耗超过70GWd/tU时，其氧化膜厚度约为40μm。除了西屋公司，还有不少国家进行锆合金的改进以提高合金的耐腐蚀性能，其中法国法玛通公司开发的M5合金是很好的。M5合金的成分是：Zr-1.0%Nb-0.12%O，它不含Sn。在压水堆内燃耗达60GWd/tU时，其峰值氧化膜厚度是Zr-4合金的1/6，这也表明M5合金在堆内的耐腐蚀性能比ZIRLO合金更好。

ZIRLO合金和M5合金由于腐蚀速率低，使得它们的吸氢量都比Zr-4合金低。M5合金作为17×17燃料棒包壳管在燃耗达77GWd/tU时，吸氢量为100ppm，而Zr-4合金的吸氢量要高许多倍。ZIRLO合金包壳管的吸氢量比M5合金高一些，但比Zr-4合金低。吸氢量高，将产生氢化锆，因氢化锆的体积大会促使包壳辐照生长和破损。因此，要达到高燃耗，锆合金的吸氢量应低。Zr-4合金因含Cr，生成Zr(Fe,Cr)₂第二相，会吸收较多的氢。

Zr-4合金因高的吸氢量，辐照生长很显著，在中子注量为21.0×10²⁵n/cm²时，辐照生长达1.9%。M5合金的辐照生长明显低于Zr-4合金，在中子注量为17×10²⁵n/cm²时，辐照生长只有0.3%。辐照生长除了和吸氢量有关，还包括腐蚀氧化产生的生长以及辐照产生的自由生长。腐蚀氧化产生的生长是因氧化锆的体积大于锆引起，因此耐腐蚀性能好就有较低的辐照生长。辐照自由生长与第二相颗粒的稳定性密切相关，颗粒稳定无非晶化，颗粒中的合金元素析出就少，<C>型位错环的密度就低，因此辐照引起的自由生长就小。当辐照生长较大，将促使燃料棒和燃料组件弯曲变形，并阻碍用于反应性控制的控制棒移动，从而对反应堆的功率调节、功率分布控制和紧急停堆造成不利影响。因此为了低的辐照生长，锆合金的耐腐蚀性能应好、吸氢量应低、第二相颗粒应稳定。

辐照蠕变和溶解在合金基体中的合金元素有关，Sn、Nb、O对锆合金的辐照蠕变影响较大，M5合金不含Sn，它的辐照蠕变比ZIRLO合金大。Nb、O含量较高，蠕变变形就小。蠕变还和锆合金的热处理工艺有关，完全再结晶可使锆合金的晶粒增大，因此蠕变速率就慢。蠕变对燃料组件性能的影响较大。在燃料棒的外部冷却剂压力高于内压时，锆合金包壳向内蠕变，如果蠕变速率大，就会出现包壳管和燃料芯块接触，产生芯块和包壳的相互作用，导致包壳损坏。在径向蠕变的同时，还会伴随包壳的轴向生长。当燃料棒的内压大于外部冷却剂的压力时，包壳会出现向外蠕变，使棒内径向间隙增大，棒间冷却流道变窄，包壳温度升高，导致偏离泡核沸腾（DNB）广泛扩展。因此，对高燃耗燃料组件，锆合金必须有低的蠕变速率。

在反应堆内高中子注量照射下，锆合金的屈服强度和抗拉强度会明显提高，因此锆合金包壳的体积平均有效应力仍能满足强度准则。但是在电厂长期的负荷跟踪运行条件下，包壳管应能承受疲劳考验。合金的疲劳性能和中子注量有关，中子注量高，塑性下降，促使疲劳裂纹产生。在燃料组件继续运行时中子注量必然增加，因此锆合金辐照时塑性好是很重要的。在反应堆内，锆合金的塑性和它的吸氢量有关。试验表明，Zr-4合金在吸氢量为850ppm时，它的疲劳循环次数比吸氢量为10ppm的Zr-4合金低几个量级，这表明吸氢量对疲劳性能影响较大，氢含量高，材料的塑性就差。

从上面的说明可知，锆合金低的腐蚀速率、吸氢量、辐照生长、辐照蠕变以及很好的疲劳性能对高燃耗的燃料组件是十分重要的，并且这些好的性能缺一不可。