[发明专利]燃料组件包壳用锆合金及其制作方法、燃料组件的包壳管

说明书

本发明公开了一种燃料组件包壳用锆合金及其制作方法、燃料组件的包壳管，燃料组件包壳用锆合金包括以下质量百分比的成分：铌0.45％～0.95％、锡0.21％～0.35％、铁0.03％～0.1％、钒0.03％～0.1％，还包括氧1000ppm‑1600ppm，余量为锆；其中，铁和钒的总量≤0.15％。本发明的锆合金，通过各成分的配比，具有优良的耐腐蚀性能和高温氧化淬火后抗脆化性能好，适用于核电站反应堆的包壳材料，提高燃料组件的服役性能和安全性。

技术领域

本发明涉及核燃料技术领域，尤其涉及一种燃料组件包壳用锆合金及其制作方法、燃料组件的包壳管。

背景技术

核燃料组件用锆合金发展到现在，已经迭代了三代商用锆合金。第一代是传统Zr-4和Zr-2，从上世纪50年代开始，这两种Zr-Sn合金被广泛应用到核反应堆中。第二代是低锡Zr-4和优化Zr-4。1977到1984年，西门子公司进行了大量Zry-4合金的池边检查，发现Sn、C、Si含量对腐蚀性能有影响，其中降低Sn和C含量对耐腐蚀性能有好处，含有少量的Si有好处。1986年西门子推出了低锡Zr-4合金。西门子后来还在低锡Zr-4合金的基础上开发了优化Zr-4，相比低锡Zr-4合金有更高的Fe和Cr的含量，耐腐蚀性能更好。第三代是美国西屋公司开发的ZIRLO合金和法国阿海珐公司开发的M5合金，ZIRLO合金相比优化Zr-4合金的耐腐蚀性能有一定程度的提升，M5合金的耐腐蚀性能相比优化Zr-4合金有明显提升，但其在高Li浓度环境下耐腐蚀性能较差，对水化学的适应性低，而且M5合金的抗蠕变性能一般。

已有研究表明，目前已有锆合金的性能不是最优的，成分配比有进一步优化的空间。ZIRLO合金添加了1％wt的Sn，所以具有较强的抗蠕变性能，但同时由于Sn含量高，ZIRLO的耐腐蚀性能还有明显的提升空间。

将ZIRLO合金中的Sn含量降低后耐腐蚀性能有一定的提高(Yueh,H.K.,Kesterson,R.L.,Comstock,R.J.,et al.,Improved ZIRLOTM claddingperformancethrough chemistry and process modifications.Zirconium in theNuclear Industry:Fourteenth International Symposium,ASTM STP1467,2004,pp.330-346.)。在18届国际核工业锆论坛(简称“锆会”)上俄罗斯的A.Malgin报告了“Nb、Sn对锆合金燃料包壳在高温水蒸气中氧化的行为影响”(Malgin,A.,Markelov,V.A.,Gusev,A.,Nikulina,A.,Novikov,V.,Shelepov,I.,Donnikov,V.,Latynin,V.,and Kosihina,J.,“Alloying Effect of Niobium and Tin on the Zirconium Alloy Fuel CladdingBehavior at High Temperature Oxidation in Steam,”Zirconium in the NuclearIndustry:18th International Symposium,ASTM STP1597,R.J.Comstock andA.T.Motta,Eds.ASTM International,West Conshohocken,PA,2018,pp.983–1010)，报告中描述了Nb、Sn和Fe等元素对锆合金高温蒸汽氧化行为的影响，这说明锆合金配方对失水事故(LOCA)工况下包壳行为有明显影响。

为满足燃料不断提高的需求，不能只在某一性能方面进行优化设计，不仅要考虑常规工况，而且也需要考虑事故工况。随着锆合金的发展，核工业界对锆合金事故工况特别是失水事故下包壳行为的关注越来越高，特别是高温氧化淬火后的抗脆化能力。因此，有必要通过优化成分配比和添加其他元素可开发出在各种工况下性能都优良的锆合金。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，提供一种具有优良耐腐蚀性能和高温氧化淬火后抗脆化性能的燃料组件包壳用锆合金及其制作方法、该锆合金制成的燃料组件的包壳管。