涂层锆合金包壳管切向微动磨损数值预测模型研究

为建立涂层锆合金包壳微动磨损的有限元计算分析模型,预测切向工况下的最大磨损深度,基于包壳-格架的实际几何特征建立了涂层锆合金包壳-刚凸接触系统的有限元模型,采用Archard磨损模型计算磨损量,结合ABAQUS的ALE功能和UMESHMOTION子程序模拟磨损过程。根据微动磨损试验结果分析磨损系数随磨损周次的变化情况,并拟合其函数关系。有限元计算的最大磨损深度和最大深度的位置与试验结果相符,表明所建立的模型可用于涂层锆合金包壳切向微动磨损最大深度的预测。

核反应堆刚凸-包壳微动损伤裂纹行为研究

核燃料棒组件中包壳管与刚凸之间发生的微动行为可能引起组件的破坏失效,严重时会威胁反应堆安全。为此,以核燃料棒中刚凸-包壳结构为研究对象,针对其在微动行为下裂纹的萌生及扩展问题,通过有限元仿真的方法展开研究。研究结果表明:在微动过程中包壳管接触区始终处于受压状态,滑移区中裂纹受剪应力控制,在包壳管涂层基体界面开裂并沿着界面蜿蜒扩展,导致涂层剥离;在混合区和部分滑移区中,裂纹受剪应力和正应力同时作用,起裂于包壳表面或次表面向内部扩展;刚凸-包壳结构微动行为中,剪应力是导致包壳管损伤的主要因素,对裂纹的萌生和扩展起主导作用。

事故容错燃料在大破口事故下的安全分析

事故容错燃料(ATF)系统旨在当反应堆失去冷却后,提高核燃料及包壳的安全特性,在正常工况下相比现在的UO_2-Zr系统更好。通过凭借先进材料的特性,ATF系统会明显延缓事故进程,为采取缓解措施提供更大的时间裕度。本文通过分析采用ATF的典型压水堆系统大破口事故(LBLOCA)设计基准事故以及叠加安注系统失效的极限严重事故,初步评估ATF在事故下的性能。分析结果表明,相比UO_2-Zr,ATF能降低大破口设计基准事故下的包壳峰值,延长严重事故下堆芯发生熔化的时间,具有更好的事故容错性。

高温气冷堆氦气透平循环工质的热物性

在高温气冷堆氦气透平直接循环中,氦气既是堆芯的冷却剂,又是循环工质。氦气热物性数据来源多样且互相不一致,对目前应用较多的5种氦气热物性参数计算方法进行了比较分析。

切向位移对Cr涂层Zr-1Nb合金包壳微动磨损的影响

随着核电技术更新迭代,由于传统Zr合金包壳存在安全性能缺陷,核燃料组件安全面临严峻挑战,探索开发新型核燃料包壳管成为核电安全防护领域的重点研究。以Cr涂层Zr-1Nb合金包壳管(改良型ATF材料)为研究对象,探究切向位移对Cr涂层Zr-1Nb合金包壳管微动磨损行为及磨损机理的影响。采用白光干涉仪表征出Cr涂层Zr-1Nb合金包壳管表面磨痕的三维形貌,对Cr涂层Zr-1Nb合金包壳管表面磨痕的截面轮廓以及磨损深度进行测算。通过扫描电子显微镜(SEM)和能谱仪(EDS)对表面磨痕的微观形貌以及元素组成进行表征。结果表明:随着切向位移增加最大磨损深度随之增加,微动运行状态由部分滑移逐渐转变为完全滑移,Cr涂层Zr-1Nb合金包壳管表面的磨屑黏着现象逐渐减弱,磨损机理由黏着磨损转变为剥层磨损。所有试验中Cr涂层Zr-1Nb合金包壳管存在明显的氧化磨损。从微观角度探索了接触模型为GTR构型的改良型ATF包壳材料微动磨损机理以及微动磨损行为,制备的Cr涂层能够提高Zr-1Nb合金包壳管的微动磨损性能,有效延长包壳管的服役寿命。

连接温度对铝空气钎焊工艺连接SiC接头结构与性能的影响

采用金属Al箔作为连接材料,探究空气气氛下连接温度对Si C陶瓷连接接头结构和性能的影响。结果表明,1000℃连接时金属Al的过量流失会导致Si C接头连接层孔洞缺陷的产生;保持热处理工艺不变,将连接温度降低至900℃,不仅可避免连接层气孔缺陷的产生,而且可有效促进中间层Al单质向Al_(2)O_(3)的完全转化,相比于1000℃连接的Si C接头,其室温剪切强度从(22.0±5.4)MPa提高到(117.0±18.7) MPa。

燃料包壳铬涂层中氧和氢扩散行为研究

在压水反应堆中,锆合金包壳与水发生腐蚀化学反应,会对包壳的机械性能产生不利影响,从而限制燃料元件的使用寿期。为了减缓包壳氧化速率,防止氢气燃爆风险的发生,人们提出了事故容错燃料的概念设计。金属铬具有优异的抗腐蚀氧化性能,作为包壳涂层已备受核电领域的广泛关注。目前,铬涂层耐高温腐蚀氧化行为微观机理研究尚不清楚,亟须开展相关研究。本文采用第一性原理方法从电子尺度探索了铬晶体中氧和氢的扩散机理。研究表明,氧的最稳定占位是八面体间隙,氢更倾向于占据四面体间隙。氢的溶解度远低于氧的溶解度。氧在间隙的溶解能为负值,表明氧与近邻铬之间存在较强的相互吸引。进一步采用弹性带方法计算氧和氢的反应扩散路径和迁移能垒。氧沿着四面体间隙至八面体间隙的反应路径扩散,迁移能垒为0.18 eV,而氢更容易沿着四面体间隙至第一近邻的四面体间隙的反应路径扩散,迁移能垒为0.79 eV。同时,氧沿着四面体间隙至第一近邻八面体间隙的反应路径扩散,迁移能垒为0.65 eV。这表明氧倾向于沿着四面体间隙至八面体间隙的反应路径扩散。氢在铬中的迁移能垒为0.17 eV。进一步结合阿伦尼乌斯扩散方程,拟合出温度与扩散系数的变化关系,为涂层高温腐蚀性能实验研究提供理论支持。

SiC复合包壳在辐照后LOCA工况下的热力耦合行为及其影响机制研究

碳化硅(SiC)复合包壳的热-力学性能和抗辐照性能较强,是一种优异的轻水堆事故容错燃料包壳,其结构完整性对反应堆安全运行至关重要.本文综合考虑各层材料的辐照效应,开展了SiC复合包壳在轻水反应堆稳态运行1146天后发生失水事故(Loss of Coolant Accident,LOCA)期间的热-力耦合行为数值模拟,获得了CVD-SiC单质层的第一主应力分布和演化规律,并对应力演化的影响机制开展了分析.结果表明:LOCA期间内部CVD-SiC单质层的最大拉应力先迅速增加,后缓慢增加,存在开裂的风险;包壳外压降低是内部CVD-SiC单质层最大拉应力及复合材料层损伤因子快速增加的重要原因;内压随着温度的升高而增大,是内部CVD-SiC单质层最大拉应力及复合材料层损伤因子继续增加到峰值的原因;复合包壳管在稳态运行阶段存在较大的径向温差,由于LOCA初期温差的降低引起的热应力对内部CVD-SiC单质层的最大拉应力也产生了显著的影响,有望通过提高碳化硅纤维增强复合材料的热导率来降低复合包壳管的失效风险.

二氧化铀芯块结构设计改进研究进展

二氧化铀芯块的性能关系着核电厂的安全经济运行,其性能改进与提升受到了核燃料行业的持续关注。除工艺优化、掺杂改良之外,芯块的结构设计改进也是提升性能的重要方向。通过对二氧化铀芯块结构设计改进研究的综述,简要评述各改进方向的设计特点和性能提升情况,并在此基础上展望二氧化铀芯块结构设计改进的未来发展趋势。

梯度纳米结构材料疲劳性能的研究现状

在原始晶粒尺寸较大的基体上构建一层梯度纳米结构层可有效提升材料疲劳性能已得到证实。介绍了表面纳米化技术制备工艺方法,并对其特点进行描述。随后总结了不同制备工艺、不同交变应力状态梯度纳米结构材料疲劳性能研究结果,并就梯度纳米结构层对疲劳性能的影响进行分析。相比于直接在金属材料表面涂敷涂层,经过表面纳米化处理后的基体表面制备或涂敷涂层材料会显著改善疲劳性能。针对梯度纳米结构材料热稳定性问题进行讨论,总结了提高热稳定性的理论方法,以为后续高温疲劳性能改善提供参考。

四种核电用包壳材料的微动磨损性能研究

在切向微动磨损试验机上对4种核电用包壳材料(Zr合金、Zr/Cr涂层、FeCrAl和ODS-FeCrAl)进行切向微动磨损试验,考察不同包壳材料的微动磨损特性。研究结果表明:不同包壳材料的摩擦因数、耗散能曲线和形变有显著差异;4种包壳材料在切向微动过程中均处于部分滑移区。通过分析磨痕微观形貌和磨痕轮廓,发现ODS-FeCrAl相比FeCrAl具有更好的耐磨性;在常温环境下,Zr/Cr表现出更加优异的抗磨损性能。

SiC陶瓷的Ti-Si钎焊连接机理和性能研究

SiC陶瓷优异的力学性能、高温稳定性以及耐腐蚀等性能,使其在航空航天、海洋工程、核能领域具有极大的应用潜力。但是其高硬和高脆特性,使其很难通过加工实现大型复杂结构件的制备,从而限制了其在以上领域的应用。因此,低温、低压连接技术研究对促进SiC的应用具有重要意义。采用Ti-Si钎料对CVD-SiC母材在1450℃~1550℃进行无压连接,结果表明,在1500℃连接时接头剪切强度最佳,此时剪切强度为(23.1±5.7) MPa,SiC接头断裂时发生在连接层和界面处。

钎焊工艺对SiC/Kovar真空钎焊接头组织与性能的影响

采用Ag-Cu-Ti/Cu/Ag-Cu软性复合中间层钎料,研究了钎焊温度(810℃-900℃)、保温时间(5 min-30 min)对SiC陶瓷和Kovar合金真空钎焊接头组织及力学性能的影响。结果表明,随着钎焊温度的升高,两侧母材溶解加剧,陶瓷侧界面反应层TiC变厚,焊缝中脆性相Fe_(3)Si、Ni_(2)Si含量增多,不利于残余应力的释放,其接头抗剪强度呈下降趋势。随着保温时间的延长,焊缝微观组织形貌变化不大,陶瓷侧界面反应层厚度先增加后保持不变;Cu(s,s)倾向于聚集在Kovar合金周围,其接头抗剪强度呈先升后降的趋势。当钎焊温度为810℃,保温时间为15 min时,钎焊接头抗剪强度最大,为33 MPa,其接头组织为:SiC陶瓷/TiC/Cu(s,s)+Ag(s,s)/Fe_(2)Ti+Fe_(3)Si/Kovar合金。

Cr涂层锆合金事故容错燃料包壳材料研究进展

自2011年日本福岛核事故后,事故容错燃料成为核电企业和相关科研机构的研究重点,旨在提升反应堆燃料系统的可靠性与安全性。锆合金包壳表面涂层技术是事故容错燃料研发的短期目标之一,其中,Cr涂层锆合金包壳为当前的主要技术路线。围绕涂层制备工艺、微观组织以及关键服役性能三方面,对Cr涂层锆合金的相关研究进展进行了综述。首先,对比介绍了锆合金表面金属Cr涂层制备工艺及其特点,涵盖了物理气相沉积、冷喷涂和3D激光熔覆等技术,同步介绍了国际核电巨头所采用的制备工艺及相关研发进展。其次,简单阐述了Cr涂层微观组织特征,重点阐述了正常运行工况下Cr涂层锆合金高温高压水腐蚀性能、高温高压水微动磨蚀性能、高温力学行为和辐照行为,以及事故工况下该材料体系高温内压爆破行为、高温蒸气氧化-淬火行为等,并同步针对其微观辐照机制、高温氧化/腐蚀机制等进行了归纳和深入分析。最后,对当前研究所存在的问题和未来发展方向进行了归纳分析。

锆合金涂层包壳专利申请态势全景分析

事故容错燃料(ATF)是日本福岛核事故之后提出的新一代核燃料概念,主要是为了提高反应堆在事故工况下的容错性能,从根本上提高核电厂对严重事故的抵御能力,从而有效地提高核电的安全性和经济性。针对传统核燃料使用的锆合金包壳,通过外表面涂层改性的方法提高其在事故工况下的抗高温氧化性能是事故容错燃料的主要研究方向。为了对锆合金涂层包壳的技术发展现状和趋势进行全面了解,对该技术相关的国际及国内专利申请态势进行了统计分析,研究了该领域的专利申请发展态势、专利来源地区及布局地区特点,重点分析了自20世纪60年代以来锆合金涂层包壳技术分支发展趋势;此外,结合我国的锆合金涂层包壳的研究现状,从研究进展及技术聚焦等方面提出锆合金涂层包壳研发建议。

压水堆燃料组件压紧板弹簧刚度简化模型研究

刚度是压水堆燃料组件压紧板弹簧的重要设计参数,通常由试验获取。开展刚度模型研究,合理预测板弹簧的服役性能,是反应堆燃料组件设计验证及安全评价的重点内容之一。本文基于悬臂梁小挠度变形理论,建立了变厚度板弹簧刚度计算的简化模型,并研究了主要参数对板弹簧刚度的影响。结果表明:板弹簧的刚度与宽度及杨氏模量呈线性关系变化,与根部厚度呈三次方关系变化;板弹簧刚度随长度减小而增加,随高度增加而增加,随端部厚度与根部厚度之比近似线性增加。本文建立的分析模型对压水堆燃料组件板弹簧性能评估和优化设计具有参考意义。

压水堆MOX与UO2燃料棒辐照性能对比分析

采用MOX燃料是提高铀资源利用率、实现核燃料闭式循环的重要途径。MOX燃料与纯UO2在热导率、裂变气体释放等性能方面不同。本文采用燃料棒性能分析程序COPERNIC,对压水堆MOX和UO2燃料棒的辐照性能进行了对比分析。结果表明,在相同的辐照条件下,MOX燃料中心温度在低燃耗阶段比UO2偏低,高燃耗阶段则明显高于UO2;MOX燃料棒内压高于UO2,两者之间的差距随燃耗增加而增大;辐照后期,MOX燃料棒包壳发生向内应变的绝对值比UO2偏低。

连接温度对CaO-Al_(2)O_(3)-MgO-SiO_(2)-TiO_(2)玻璃钎料连接SiC陶瓷接头微观结构和性能的影响

采用新型玻璃钎料CaO-Al_(2)O_(3)-MgO-SiO_(2)-TiO_(2)(CAMST)连接无压烧结SiC陶瓷,研究了连接温度(1 300~1 450℃)对SiC陶瓷接头微观结构和力学性能的影响。结果表明:CAMST玻璃钎料在1 350~1 450℃下可实现SiC陶瓷的有效连接。当连接温度为1 350℃时,焊缝厚度约为36μm,母材与焊缝界面存在较多孔洞,接头剪切强度为(21.4±2.7) MPa;当连接温度为1 400℃时,焊缝厚度为3μm,母材与焊缝结合良好,接头剪切强度为(47.6±6.2) MPa;当连接温度升高至1 450℃时,焊缝厚度约为50μm,母材与焊缝结合良好,但焊缝中存在裂纹缺陷,接头剪切强度为(20.9±3.9) MPa。连接温度对焊缝硬度无明显影响。

CZ锆合金与316L不锈钢真空钎焊接头的界面组织及力学性能

采用BAg72Cu银基钎料对CZ锆合金与316L不锈钢进行真空钎焊,研究了其界面微观组织及力学性能。结果表明,经真空钎焊后其接头界面组织连续且致密,钎料与两侧母材均实现了良好的冶金结合。钎焊温度为800、820、850℃时,从不锈钢侧到锆侧的接头组织依次为Fe(Cr,Zr)_(2)、Zr(Fe,Cr)_(2)、(Zr,Cu)、Zr_(2)Ag、α-Zr+Zr_(2)Cu+Zr_(2)Ag。钎焊温度为880℃时,由于铁元素大量扩散,焊缝中生成了Zr3Fe相。820℃钎焊时接头的室温抗剪强度最高,为125 MPa。银铜钎料的加入使接头显著硬化,近不锈钢侧的扩散层硬度值最大,约为725 HV。所有钎焊工艺下,剪切断裂都发生在母材锆合金与钎料之间的界面,断口形貌为典型的河流状花纹和台阶,为脆性解理断裂。

事故容错燃料锆合金包壳表面Cr涂层厚度设计

在众多事故容错燃料(ATF)概念中,Cr涂层ATF是近期主流的方案之一。在确定了涂层材料和涂覆工艺之后,需要根据Cr涂层ATF的研发指标来设计涂层的厚度,然而目前未有针对Cr涂层厚度研究的公开报道。本文针对Cr涂层开展厚度设计研究,其基本原则是在满足性能指标的前提下,Cr涂层越薄越好,结合国内外相关试验数据,通过计算分析,重点研究Cr涂层厚度在磨损、腐蚀和高温氧化三个方面对包壳的性能影响。当Cr涂层厚度在10μm左右时,其可基本满足ATF设计要求,其中,磨损对涂层损耗最大,其次是大破口失水事故下的高温氧化。此外,还需要考虑涂层厚度不均匀性、涂覆工艺等其它因素对涂层厚度设计的影响。