中国核动力院U-Mo合金燃料研究现状及进展

目前,U-Mo合金燃料是研究试验堆新一代燃料的研究重点。文章介绍U-Mo合金燃料在中国核动力研究设计院(NPIC)的研究现状和进展。NPIC于2006年正式开始研制U-Mo合金弥散燃料元件,几年间开展的研究工作主要有:U-Mo合金熔炼,γ相U-Mo合金粉末制备,(U-Mo)-(Al-Si)弥散燃料板制造工艺研究,U-Mo合金与基体材料、包壳材料和阻挡材料诸如Al、Nb、Zr、Mg等的相容性研究,Si添加到Al基体中对U-Mo/Al反应的影响以及U-Mo合金燃料成分分析及无损检测方法研究等。目前,NPIC已制备出基本满足要求的(U-Mo)-Al弥散燃料板,并计划于2010年前掌握满足技术要求的改进型(U-Mo)-Al弥散燃料板的制造技术。

中国核动力研究设计院研究堆燃料元件的发展现状

文章介绍中国核动力研究设计院(NPIC)紧跟国际原子能机构(IAEA)确认的防止核扩散、降低研究和试验反应堆用燃料富集度研究计划(RERTR)的进展,在研究堆低浓铀燃料元件开发研究方面进行的一系列工作,描述了NPIC的U3Si2Al燃料元件研究及生产现状和在新开发的UMo合金燃料研究方面的最新进展。

U-10Mo/Al-Si固体扩散行为

采用扩散偶方法研究U-10Mo合金与Al-xSi（x＝0，1，2，5，7，9，质量分数）合金的固体扩散行为。实验在真空热压炉中完成，退火温度为555、570、580、590和595 ℃，时间为5～10 h。实验结果表明：退火条件对扩散行为有显著影响，580 ℃是U-10Mo/Al-xSi扩散行为的重要分界点；当温度低于580 ℃热压退火处理时，扩散层厚度随Si含量的增加先急剧减小然后缓慢增大；当温度高于580 ℃时，扩散层的厚度随Si含量的增加而增加。Si含量较高（≥2%）的扩散偶扩散层厚度比低Si含量的小，扩散层呈3层结构，靠近Al-Si侧出现贫Si区。成分分析显示：Si含量较高的扩散偶，靠近U-Mo侧的扩散薄层中出现Si的富集，其成分为（U，Mo）（Al，Si）x （x≤3）；靠近Al-Si合金侧的扩散层成分为（U，Mo）（Al，Si）x （x＞3）。

U-Mo合金与Zr-4合金的扩散层性质研究

本文对U-Mo合金与Zr-4合金的扩散层性质进行了研究。三明治结构的U-Mo/Zr-4扩散偶在760~800℃下包覆热轧后,保温10~66 h。采用扫描电子显微镜（SEM）分析了扩散层的形貌和厚度,采用波谱仪（WDS）分析了各元素在扩散区内的分布情况,采用X射线衍射仪（XRD）测定了扩散层的相组成。分析结果表明,即使在800℃的高温下,U-Mo/Zr-4的扩散程度依然微弱,表现出良好的相容性;U-Mo/Zr的扩散层中间出现裂纹,裂纹两侧的扩散层相组成明显不同,靠近U-Mo侧为富Mo相,其主要是以化合物ZrMo_2为基的固溶体;靠近Zr-4侧的为富Zr相,其主要是以化合物UZr_2为基的固溶体;裂纹认为是由U和Zr不等量的原子交换所造成的。

核电厂碳钢管道壁厚减薄原因分析

近年来,核电厂二回路管道破裂引起的安全事故使得碳钢管道减薄问题受到越来越多关注。本文以某核电厂大修时发现壁厚减薄超标而更换下来的管道作为研究对象,通过成分分析、微观形貌分析和氧化膜分析等手段,结合管道的运行工况环境分析,最终确定管道壁厚减薄模式分别为冲刷腐蚀、流动加速腐蚀和汽蚀,并提出针对性改进措施。

铀及铀合金防护镀层的研究进展

铀是一种非常重要的战略核材料,纯铀又是化学活性极强的材料,在大气中放置很短的时间就会在其表面产生氧化和腐蚀。因此,对铀材必须实行涂层保护或表面合金化才能增强其抗腐蚀效果。从离子注入、离子镀以及表面合金化处理3方面综述了铀及铀合金的防腐涂层方法的研究。

U-Mo合金与Al扩散反应特征研究

采用扩散偶方法研究了U-Mo合金与Al扩散反应特征。扩散偶以热压方式实现持续贴合。实验在真空热压炉中完成,热压温度550~570℃,时间5~21 h。结果表明：U-Mo/Al扩散层界面形貌和成分与扩散层厚度有关;在扩散层界面处U、Mo和Al的含量突变;U-Mo侧扩散层产物主要为（U,Mo）Al3,Al侧产物为（U,Mo）Al4和UMo2Al20。U-Mo/Al扩散反应是Al越过U-Mo/Al原始界面向U-Mo侧扩散并发生固体反应和扩散层向Al层生长的过程。

氢化锆粉末质量控制

以氢化锆粉末制备过程为实例,根据产品制备过程中影响产品质量的潜在危险因素,通过从方法因素、人的因素、设备因素几方面制定针对性的质量控制方案和手段并切实执行,取得了100%的合格率。

Zr-1%Nb合金熔炼铸造工艺研究

介绍了Zr-1%Nb合金的真空感应熔炼及铸造工艺。通过组合铸模设计和改变成分配比,改变精炼温度、精炼时间、浇注温度、铸模加热温度等参数,制备了用于高效慢化材料氢化锆研制中的氢化工艺所需要的Zr-1%Nb合金试件,其化学成分满足要求,Nb分布比较均匀;解决了气孔、集中缩孔太深等铸造质量问题;微观组织分析表明,氢化前后晶粒内呈平行条带状形貌特征,碳化锆呈颗粒状。

U-10Mo/Al-2Si扩散层性质研究

采用热压扩散偶方法研究了U-10Mo/Al-2Si的扩散层性质。实验在真空热压炉中完成,温度550～570℃,时间5～21 h。结果表明:扩散层随时间的延长和温度的提高而增厚;U-Mo侧生成了抑制U-Mo/Al的扩散反应,Si含量高达47.4%(原子分数)的富Si层。从U-Mo侧到Al-2Si侧,U和Mo的含量递减而Al的含量递增;Si含量在U-Mo侧出现最大含量后递减。U-Mo侧主要为(U,Mo)(Al,Si)3相;Al-2Si侧为(U,Mo)(Al,Si)3和UMo2Al2相,从U-Mo侧到Al-2Si侧UMo2Al2的数量在增加。

锆钇合金靶件性能对镀膜工艺影响研究

采用脉冲偏压电弧离子镀技术在不锈钢基片上制备氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)薄膜。通过改变靶材成分均匀性和致密性,分析其对起弧性能、镀膜工艺稳定性的影响;使用金相显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)和X射线衍射(XRD),对合金靶材及制备的YSZ涂层进行全面分析。结果表明,通过包覆热轧及退火热处理的合金靶材起弧性能好,镀膜工艺稳定,沉积的薄膜均匀、致密,组成为氧化钇和非晶氧化锆。

热处理对U-Mo/Nb互扩散行为的影响

采用包覆热轧法制备了U-Mo/Nb固相复合扩散偶。分别在760℃和790℃温度下对U-Mo/Nb固相复合扩散偶进行了不同时间的扩散热处理。用能谱法(EDS)测定了扩散偶不同热处理时间后的扩散层厚度;并采用非线性拟合方法研究了扩散层厚度与热处理时间的关系。结果显示,2种温度下扩散层厚度与时间的拟合结果存在较大差异。

U-Mo合金与Nb的互扩散行为

采用包覆热轧法制备U-Mo／Nb固相复合扩散偶，在760℃下对U-Mo／Nb固相复合扩散偶进行不同时间（3-15h）的扩散热处理，得到了不同厚度的扩散层。对热处理时间与扩散层厚度间的关系进行了线性拟合，观察到扩散层生长起初具有一段孕育期。对热处理后扩散层进行了SEM分析和EDS分析，初步讨论了扩散偶长时间热处理后靠近U-Mo合金一侧出现裂纹的原因。对扩散偶热处理后扩散组元分布进行了深入分析，观察到长时间的热处理扩散层厚度的增加只是U元素在Nb基体中的均匀化过程。

HMD法制备U-10wt%Mo合金粉末的粒度控制

对氢化-破碎-脱氢（HMD）法制备U-10wt％Mo合金粉末的粒度控制工艺进行了研究。U-Mo合金在950℃分别退火4、10、24h，然后经过γ→α相转变热处理、HMD法和α→γ相转变热处理等过程成为粉末。分析结果表明：950℃下U-Mo晶粒长大较慢，可通过调节保温时间使晶粒尺寸控制在40-100μm；γ相分解程度强烈依赖于晶粒尺寸，晶粒尺寸越大，γ相向α相的转变程度越低；粉末粒度大小与原始合金γ相的晶粒度密切相关，原始合金γ相晶粒度越大，粉末粗粉比重越大。

U-10wt%Mo合金与LT24Al的反应层性质研究

对U-10wt%Mo合金和LT24Al合金的反应层性质做了较详细的研究。将U-Mo/Al扩散偶试样在不同条件下进行热压处理,用光学显微镜(OM)和扫描电子显微镜(SEM)分析反应层的厚度,用能谱仪(EDS)分析各元素在反应区内的分布情况,用X射线衍射仪(XRD)测定了反应层的相组成。分析结果表明:U-Mo合金与Al的扩散方式是反应扩散,方向主要为Al原子通过空位扩散向U-Mo合金中迁移;反应层生长动力学表明反应为扩散所控制;U-Mo/Al的单相反应层主要由(U,Mo)Al3组成;两相或多相反应层主要由(U,Mo)Al3和(U,Mo)Al4组成,此外还含有Al20Mo2U;Al中的杂质Si容易在反应层中富集,这种趋势说明Si对改善U-Mo合金和Al的相容性起积极作用。

Zr-30%U-2%Er合金细棒铸造试验研究

介绍了真空感应熔炼及铸造Zr-30%U-2%Er合金的工艺。通过改变成分配比、精炼温度、时间、浇注温度、铸型加热温度等参数,制备了化学成分满足要求,U、Er分布均匀的Zr-30%U-2%Er合金铸棒,浇注试验铸满率达到100%,铸棒表面光洁,无气孔、冷隔等铸造缺陷;微观组织分析表明,铸棒的基体相为铀-锆合金相,晶粒大小为50～100μm,第二相为金属锆。

U-Mo合金成分均匀性工艺研究

对真空感应熔炼采用的石墨坩埚涂层材料及其制备工艺、合金成分均匀性控制进行了研究。结果表明：涂层选用加入5wt％-10wt％二氧化钛稳定的氧化钙材料，经真空烧结而成，将能提高其稳定性；金属钼片靠坩埚底部装料有利于成分均匀；熔炼温度在1480℃、时间8min左右，控制钼含量的成分均匀性和合金中杂质元素碳的综合效果较合适；晶粒基本上为等轴晶，晶粒等级为6．4级（35μm左右），晶粒中心钼含量要比晶粒边界要高；合金未浇注影响了合金相的组成；并形成以α-U相为主的金相结构。要保持尽可能多的亚稳γ相，必须对合金进行浇注，以加快冷却速度。

氢化海绵钛粉末制备

介绍了氢化海绵钛粉末制备的工艺流程,即海绵钛块经过渗氢,得到的氢化海绵钛块在高纯氩气保护的手套箱中用鄂式破碎机破成小于10 mm的颗粒,再用高速破碎机破碎成粉末,用自行研制的机械筛分机对粉末进行筛分,并对粉末的粒度和杂质氧、氮含量进行分析,最后得到合格的粉末,其氢-钛原子比达到1.8～2.1,粉末粒度在74μm以下占98.9%,氧、氮含量分别低于2 500μg/g、150μg/g,年生产能力达到3 t。

B4C粒度对粉末冶金法制备的B4C/Al腐蚀行为的影响

在90℃、2 500μg/g和25 000μg/g的硼酸溶液中对3种粒度区间B4C/Al样品进行了50天的均匀腐蚀试验。对腐蚀试样进行了增重和形貌研究。结果表明:样品腐蚀程度与颗粒粒度相关,粗颗粒样品腐蚀程度最大,细颗粒、中细颗粒样品腐蚀程度无明显差别;表面缺陷处优先腐蚀,随时间增加形成腐蚀坑;腐蚀产物为Al O(OH)与Al(OH)3;致密的Al(OH)3晶体结构可以起到减缓腐蚀的作用。

Nb对FeCrAl热加工组织影响的研究

通过制备不同Nb含量的FeCrAl系合金,研究了Nb对热加工过程中组织演变的影响。结果表明,Nb通过析出Fe2Nb Laves第二相的方式影响组织演变,第二相来源于铸造析出及热变形诱导析出。析出行为受热力学及动力学因素的影响。