耐事故燃料锆合金包壳MAX相材料Cr_(2)AlC涂层的研究进展

MAX相材料是一种三元层状结构类金属陶瓷材料的碳/氮化物,兼具金属和陶瓷的优良性能,MAX相材料Cr_(2)AlC涂层材料因其优异的抗氧化性、耐腐蚀性和耐辐照性而具有应用于耐事故燃料锆合金包壳的潜力,本文综述了该领域MAX相材料Cr_(2)AlC涂层材料的研究进展,总结了Cr_(2)AlC涂层材料的氧化行为、腐蚀行为、失效机制和改进方向的进展情况。调研表明,对涂层进行表面改性,如引入中间层和在其表面添加金属层等,可增强涂层的抗氧化和防腐蚀性能。本文通过对现有文献的调研,论述Cr_(2)AlC涂层的优点和弊端,为进一步在航天、化工、核工业等领域的工程应用提供参考。

耐事故燃料包壳材料FeCrAl合金耐腐蚀性能研究

随着ATF研究的深入及新材料的研发,FeCrAl由于具有高强度、优异的变形能力和抗高温氧化性能而备受瞩目。FeCrAl包壳的耐腐蚀性能直接影响到燃料芯块的安全和性能。为此,本文从其腐蚀行为机理出发,通过对氧化动力学、腐蚀过程及影响因素对其腐蚀行为进行分析,以期为FeCrAl在轻水堆的腐蚀研究提供参考。研究结果表明,FeCrAl合金中Cr元素和Al元素的抗腐蚀机制有差异,在不同氧化介质、不同温度下,FeCrAl合金的腐蚀是复杂的,伴随着不同成分、形态的单层或多层氧化物生成。

耐事故核燃料包壳涂层强度研究进展

耐事故燃料包壳涂层技术是新一代核燃料系统提升事故能力的主流方案之一,具备近年内投入应用的可行性。强度是耐事故涂层包壳性能考核的重要指标,深入研究耐事故涂层包壳力学性能及失效机理对耐事故涂层的设计、制备及安全准则的建立具有重要意义。重点介绍了近年来国内外研究团队及本课题组在耐事故涂层包壳强度研究方面的前沿工作,如耐事故涂层包壳力学性能与失效机理、涂层包壳力学性能原位测试技术与模型、高温服役工况及严重事故工况下耐事故涂层包壳的强度等。

耐事故燃料包壳用FeCrAl不锈钢的研究进展

3.11日本福岛核事故后,国内外围绕提高核燃料元件的事故包容能力和固有安全性课题开展了大量的耐事故燃料(ATF)的研发工作,其中性能更先进的包壳材料是ATF研究的前沿和难点。Fe Cr Al合金优良的高温性能结合管材制备工艺的技术成熟度和经济性,促使该合金包壳成为近期ATF包壳研发的首选目标。简介了国外在ATF包壳候选材料的筛选和Fe Cr Al不锈钢上的研究进展,综述了ATF包壳用Fe Cr Al不锈钢高温蒸汽氧化性能、力学性能、中子辐照性能和应力腐蚀性能等方面的研究现状,指出了Fe Cr Al包壳研制和工程应用等方面需突破的关键技术和研究方向,其中成分优化控制及制备工艺、中子辐照性能和应力腐蚀性能等工程应用的评价是未来研究的重点和难点。

电弧离子镀制备耐事故包壳材料厚Cr涂层及高温抗氧化性能

目的在Zr-4包壳材料表面制备具有耐事故高温性能的抗氧化厚Cr涂层,保护Zr基体,以防止与高温水蒸汽反应。方法采用自主研发的φ155 mm大弧源电弧离子镀技术在Zr-4合金表面制备约20μm的Cr涂层,通过X射线衍射仪(XRD)分析氧化前后的物相变化,通过扫描电子显微镜(SEM)和电子探针(EPMA)研究厚Cr涂层在不同温度下产生的多种缺陷,探究厚Cr涂层对Zr基体的防护机制。结果当涂层沉积速率>3μm/h,制备的Cr涂层均匀致密,结合力优异,具有柱状晶结构,可经受至少15.8%的形变量,其抗塑性形变能力优异。沉积Cr层样品经过1000、1100、1200℃氧化,保温1h后快速冷却至室温,厚Cr涂层分化为Cr Ox层、Cr_2O_3层、残余Cr层和Cr-Zr扩散层。经受苛刻条件(1200℃/3600 s)测试,除保持连续性的氧化层外,在基体上仍残余良好结合的6.8μm Cr层。氧化层两次开裂阻止基体被进一步破坏。Cr-Zr扩散层是由Zr元素向Cr涂层方向渗透生长的。1200℃时,在基体近表面处产生的大尺寸隆起,是由于在近表面处韧性β-Zr(O)相转变为脆性α-Zr相,以及Cr偏聚贫Sn造成的。残余Cr层的柱状晶结构会形成Zr-O扩散通道,对涂层最后失效将起关键作用。结论 Zr合金包壳材料镀覆20μm的Cr涂层具有充分的耐事故能力,在严苛的事故条件测试下,各缺陷均未能使Zr-4合金基体暴露,涂层能够形成有效壁垒,防止锆合金基体暴露造成核事故,阻止基体进一步被破坏。

核电耐事故锆包壳表面涂层研究进展

锆合金表面涂层作为一种短期内最易于实现商业化工程应用的耐事故包壳材料,已成为国际上新型核电燃料元件研发的热点。综述了近年锆包壳表面涂层研究已取得的重要研究成果。阐述了锆合金表面涂层材料的发展,包括MAX相、Cr系、陶瓷和FeCrAl合金等,重点分析了金属Cr因易于获得高质量涂层,且具有优异的耐腐蚀、耐高温氧化等性能,成为耐事故锆包壳表面涂层的首选材料。讨论了锆合金表面Cr涂层沉积技术的发展,包括物理气相沉积法、冷喷涂、激光熔覆和等离子喷涂等,着重分析了不同的科研机构均形成了各自的涂层锆管研发路线。评价了锆包壳表面Cr涂层的关键应用性能,重点分析了高温氧化–脆化、腐蚀、环压、磨损以及高温爆破等条件下的表面涂层效应。水蒸气环境中表面Cr涂层可有效阻止氧元素向锆基体的扩散,高温氧化–淬火后锆基体内残留了大量β–Zr相,涂层锆管仍具有一定的残余塑性;小变形工况下表面Cr涂层与锆基体间具有良好的膜基协同变形能力;Cr涂层对锆管基体具有一定的表面强化效应,一定程度上可改善涂层锆管的高温爆破性能;堆内辐照后Cr–Zr界面成分、微结构稳定性良好,21%环向肿胀后表面Cr涂层依然未剥落。最后,总结与展望了锆包壳表面Cr涂层的科研成果与研究方向。

耐事故燃料控制棒备选材料的燃耗分析

为从中子学角度对耐事故燃料控制棒备选材料进行评价,本文将稀土元素的倍半氧化物(Eu_(2)O_(3),Gd_(2)O_(3),Sm_(2)O_(3),Dy_(2)O_(3),Er_(2)O_(3))、Hf及HfO 2等材料的控制棒分别置于相同的全陶瓷微胶囊封装燃料组件中,使控制棒所处组件的累积燃耗达到200 GW·d·t^(-1),采用可执行精细燃耗计算的蒙特卡罗程序RMC,计算了燃耗过程中控制棒价值的变化情况,并与传统的控制棒材料Ag-In-Cd的燃耗行为进行了对比分析。结果表明,Eu_(2)O_(3),Dy_(2)O_(3),Sm_(2)O_(3)和Hf的初始反应性均不低于Ag-In-Cd的反应性,且随着燃耗加深,控制棒价值的衰减相对缓慢,尤其是Eu_(2)O_(3)和Dy_(2)O_(3)的控制棒价值随燃耗加深几乎无衰减,有利于堆芯反应性控制,是优良的控制棒材料。

耐事故燃料研究方向及进展

2011年的福岛核电厂事故堆芯熔化,发生氢爆,导致大量放射性物质外泄至大气及太平洋中,促使核能的安全利用问题受到广泛关注,大量的研究投入进入该领域,促使了ATF燃料(Accident Tolerant Fuel)概念的确立,并被广大研究人员了解并重视。ATF旨在提高燃料在事故工况下的可靠性与安全特性,减少事故工况下燃料失效概率及产氢量,同时在正常运行工况下保持其良好的运行特性。本文主要介绍了美国、法国及韩国等国家近几年的ATF研发方向及进展,以及它们最具特色的ATF燃料芯块及包壳。

耐事故燃料用碳化硅包壳材料的热扩散连接技术

碳化硅及其复合材料是最可能用于核电耐事故燃料的包壳材料。从核燃料元件包壳材料的需求出发,利用钛箔作为连接介质,采用热扩散连接技术对碳化硅的密封连接进行了研究。实验结果表明,扩散温度为1500℃,压力为10 MPa,连接时间1h,能够获得稳定的碳化硅连接样品。连接样品的平均剪切强度为88.63 MPa。显微分析表明C和Si元素在Ti箔中发生扩散,并与Ti发生反应形成稳定的连接界面,连接层边缘主要为Ti3SiC2相,连接层中心由Ti和TiC组成。

压水堆候选耐事故包壳材料对控制棒价值的影响分析

该文针对候选耐事故包壳材料304SS、310SS、Fe Cr Al、APMT和Si C开展控制棒价值的影响分析。从分析结果可以看出,与锆包壳相比,候选包壳材料本身对控制棒价值影响较小,约-1.0%~2.5%;对于铁基包壳,为保证与锆包壳相同的循环寿期,需要的最小燃料富集度增加量约0.71wt%,由此导致的控制棒价值显著减少（大于10%）,远大于包壳材料本身对控制棒价值的影响。从中子经济性以及由此带来的对控制棒价值影响的角度,给出了耐事故燃料候选包壳的优先顺序。

耐事故包壳中子经济性分析

福岛核事故之后,核燃料在事故工况下的安全性越来越受到重视,提出耐事故的概念,其中包含耐事故包壳。耐事故包壳可以有效防止锆合金(Zr)包壳可能出现的“锆水”反应,同时在深燃耗或一些极限工况下保持包壳结构的完整性,有效预防核事故。本文以传统压水堆组件锆合金包壳做对照,分析对比了热门耐事故包壳材料的中子经济性,不同包壳厚度下组件循环长度,以及固定包壳厚度时,达到要求的循环长度所需的燃料富集度。通过研究发现,包壳经济性由高到底排序为:SiC>SiC涂层>Zr>FeCrAl>APMT>304SS>310SS。研究结果对耐事故包壳用于压水堆核设计具有借鉴和指导意义。

锆合金表面耐事故涂层研究进展

锆合金表面涂层是核电耐事故燃料研究的一个重要技术途径。本文综述了福岛事故后锆合金包壳外表面耐事故涂层的研究进展,依据涂层制备中的涂层材料、制备工艺、涂层性能表征等关键问题逐次展开。首先介绍用于核电锆合金表面的涂层材料,主要包括金属涂层、陶瓷类涂层、合金涂层和多层复合涂层。其次,介绍用于锆合金表面耐事故涂层的制备工艺,主要包括冷喷涂、离子镀、磁控溅射和其他种类的制备工艺。最后,介绍锆合金表面耐事故涂层性能表征方法以及涂层材料和制备工艺对涂层性能影响的研究工作,涂层性能包括涂层表面完整性和关键堆外性能两个方面。本研究进展可为进一步研究与开发锆合金表面耐事故涂层提供重要参考。

耐事故燃料芯块的制备方法与研究进展

福岛核事故发生后,为提高核燃料元件抵抗严重事故能力而开发的耐事故燃料成为核行业研究热点。本文介绍了以BeO、SiC掺杂为代表的热导增强型UO_(2)芯块、高铀密度高热导燃料芯块和全陶瓷微封装燃料芯块,总结了耐事故燃料芯块的优势特性、热导率、制备方法和研究进展,分析和展望了耐事故燃料芯块的现有问题和应用前景,以期为耐事故燃料芯块的研究提供参考。

铬涂层锆合金耐事故燃料包壳材料事故工况行为研究进展

当前核燃料包壳主要以热中子吸收截面极低、熔点较高的锆合金作为主要构件材料。2011年日本福岛核电站失水事故使人们意识到锆合金在事故工况高温蒸汽环境中会快速氧化失效,并产生氢气造成氢爆。为了应对锆合金包壳材料的这一缺陷,提升核反应堆安全性,耐事故燃料(Accident tolerant cladding,ATF)包壳材料的开发成为了当前研究热点。在锆合金表面制备涂层以提高其抗氧化性能是ATF包壳开发的重要发展方向之一。目前已开发了多种针对锆合金的涂层材料,包括纯金属涂层、MAX相涂层、合金涂层以及氧化物涂层等。在众多涂层材料中,纯铬涂层能有效提升锆合金包壳的抗高温氧化性能和高温强度,且涂层加工方法简单、经济性良好。铬涂层是极具应用潜力的候选材料,也是当前的研究热点。本文以铬涂层锆合金耐事故燃料包壳材料的事故工况为主题,综述了铬涂层的氧化动力学、铬-锆中间层生长动力学、铬涂层长期氧化失效机制、诱发铬涂层短期快速失效的因素以及涂层强化机制方面的研究进展,汇总了国内外目前在ATF包壳领域取得的进展,为铬涂层锆合金耐事故燃料包壳材料的基础理论研究、关键技术攻关和未来商业应用提供有益的参考。

美耐事故燃料先导组件完成首个换料周期辐照试验

【世界核新闻网站2020年2月26日报道】美国全球核燃料公司(GNF)耐事故燃料先导组件在完成首个换料周期的辐照试验后,于近期从哈奇1号机组堆芯卸出。哈奇1号机组是一座1974年投运的876MWe沸水堆。这批先导组件于2018年3月在哈奇1号机组启动辐照试验。

核用锆合金耐LOCA事故FeCrAl合金体系涂层的发展现状

锆合金是应用最为广泛的核反应堆堆芯包壳材料,然而2011年福岛核泄漏事故暴露了锆合金自身耐高温水蒸气腐蚀性能的不足,事故容错型包壳的研究便自此展开.在锆合金表面沉积涂层是提高锆合金包壳管容错能力的重要手段之一,FeCrAl合金由于其在火力发电领域良好的表现而一直备受关注,并迅速成为了包壳管候选材料之一.文中主要综述了锆合金涂层材料FeCrAl及其衍生材料的研究进展,为FeCrAl作为锆合金涂层的实际应用提供了一定的参考.

耐事故燃料用于高性能压水堆的分析研究

为明确未来高性能压水堆(PWR)可采用的耐事故燃料(ATF)元件设计方案,本研究采用燃料性能、核设计、反应堆热工安全的适用分析方法,从安全性、经济性和燃料性能等方面对几种潜在的ATF设计方案进行综合分析。结果表明:采用SiC复合包壳+高铀密度燃料的方案较好;由于高铀密度燃料(包括UN、U_(3)Si_(2)及UN-U_(3)Si_(2)复合燃料)各自均具有鲜明的特点,其中UN-U_(3)Si_(2)复合燃料在理论上可以成为高铀密度燃料的一大特色,但从中子经济性的角度考虑需要将UN中^(15)N进行富集,而目前的富集技术将大大提高该型燃料的制造成本。因此本研究建议高性能PWR的ATF燃料元件设计宜选择SiC复合包壳+U_(3)Si_(2)燃料的设计方案。

耐事故UO2基复合燃料芯块的研发进展

对先进耐事故燃料(ATF)芯块的研发背景进行了概述,重点讨论了耐事故UO2基复合燃料芯块的国内外研究现状,认为UN、U3Si2和ThO2等燃料相是耐事故UO2基复合燃料芯块中最具发展潜力的掺杂相,然而其最佳添加量及分布状态尚需结合多尺度数值模拟和实验研究的方法开展深入探索。

Zr-4合金表面耐事故Cr涂层制备及组织性能

采用等离子增强物理气相复合沉积技术,在Zr-4合金表面制备了Cr复合涂层,并在涂层沉积之前对涂层与基体的界面进行了Cr离子的轰击注入强化。结合锆合金包壳的实际使用工况,设计试验方法,评价表征了涂层体系的各项性能及其对锆合金基体的影响。高温蒸气加速腐蚀试验表明,相比于无涂层Zr-4基体试样,Cr涂层明显阻碍了氧向Zr-4基体内部的扩散,并有效抑制了基体内部有害氢化物的生成。在模拟事故的高温(>1000℃)热冲击条件下,相比于无涂层基体表面较厚氧化物生成的现象,涂层样品并未出现脱落,基体也并未出现氧化腐蚀。拉伸及内压爆破测试表明,样品表面Cr涂层表现出与基体较好的附着力,未出现沿破裂界面的脱落,也未影响Zr-4基体的拉伸及室温爆破性能。可以认为,Zr-4合金表面Cr涂层是理想的耐事故涂层材料之一。

耐事故燃料双重非均匀性RPT方法研究

采用体积均匀化方法计算含有弥散燃料或弥散可燃毒物的双重非均匀性的系统会带来一定的计算偏差。传统反应性等效物理变换方法(Reactivity-equivalent Physical Transformation,RPT)可以用来处理弥散燃料以及吸收截面随燃耗变化不剧烈的可燃毒物,但对于硼等吸收截面随燃耗变化剧烈的可燃毒物,传统RPT方法也会带来较大的计算偏差。本文对新型RPT方法进行了初步探索,使其不仅适用于传统RPT方法适用的弥散燃料和弥散可燃毒物类型,也适用于硼等吸收截面随燃耗变化相对剧烈的可燃毒物,为RPT方法的扩展和应用提供思路和借鉴。