第四讲 包壳材料

a≠b≠c ，α≠β≠γ≠90° °
a≠b≠c ， α＝β＝90°≠γ ＝ ＝ ° Monoclinic（单斜） （单斜） α＝γ＝90°≠β ＝ ＝ ° ＝ ＝ ＝ ° Orthorhombic（正交） a≠b≠c ，α＝β＝γ＝90° （正交）
Tetragonal（四方） （四方） Cubic（立方） （立方） Hexagonal（六方） （六方）
消除Zr合金的内氢化措施 消除 合金的内氢化措施
• （1）提高燃料芯块的密度（94-95%TD），减少 ）提高燃料芯块的密度（ ） 开口孔率，降低芯块吸水量； 开口孔率，降低芯块吸水量； • （2）芯块装管时应经高温真空除气和干燥处理， ）芯块装管时应经高温真空除气和干燥处理， 严格控制芯块吸水量； 严格控制芯块吸水量； • （3）限制芯块中氟杂质的含量，锆管内壁喷丸处 ）限制芯块中氟杂质的含量， 使表面氟含量低于0.5 µg/g， 以防 氟杂质释 g/g， 理 ， 使表面氟含量低于 g/g 以防氟杂质释 击穿氧化膜； 放，击穿氧化膜； • （4）用吸气剂吸收残留在燃料棒里的氢； ）用吸气剂吸收残留在燃料棒里的氢； • （5）锆管内壁涂石墨（如重水堆燃料包壳）。 ）锆管内壁涂石墨（如重水堆燃料包壳）
4 3 3 2× π( a) = 0.68 ∴ For BCC, ξ = 3 3 4 a
2. HCP Example: Be, Mg, Zn, Cd, α-Zr, Hf Ti( low temperature) 1 1 n＝ ×12 + ×2 + 3 = 6 6 2 • CN＝12 • • ξ＝0.74
1. BCC Example: α-Fe , V, Nb, β-Zr Ta, Cr, Mo, W, alkali metals n = 2 atoms/cell CN=8 The number of nearest neighbours around each atom is called —— Coordination Number.
Packing fraction
ξ ＝
Volume of atoms / cell Volume of unit cell
To determineξ, The atom is looked as a hard sphere, and the nearest neighbours touch each other.
锆合金的合金化目的
--- 抑制有害元素
锆的合金化原理
锆合金的发展
锆和锆合金棒材的成分和性能
• Zr合金与高温水反应生成的氢， 部分被合金的基 合金与高温水反应生成的氢， 合金与高温水反应生成的氢 体吸收，在高温时固溶在基体中。氢在Zr合金中 体吸收 ， 在高温时固溶在基体中 。 氢在 合金中 的固溶度随温度的降低而减小，室温下， 的固溶度随温度的降低而减小 ， 室温下 ， 超过极 限固溶度的氢将以氢化物ZrH1.5的小片析出， 因 的小片析出， 限固溶度的氢将以氢化物 的小片析出 其体积比Zr合金基体体积大 合金基体体积大14%， 且 150度以下 其体积比 合金基体体积大 ， 度以下 为脆性相，因此氢化物的析出破坏了晶粒完整性， 为脆性相 ， 因此氢化物的析出破坏了晶粒完整性 ， 成为裂纹源。 成为裂纹源。
★一些基本概念
• 原子数 原子数：平均每个晶胞含有的原子个数。 • 原子半径：原子核到最外层电子的平均距 原子半径 离，它集中反映了原子核对核外电子的吸 引力和核外电子间相互排斥的平衡结果。 • 致密度 致密度：晶胞内原子球所占体积与晶胞体 积之比值K=nv/V • 配位数 配位数：一个原子（或离子）周围同种原 子（或异号离子）的数目称为原子（或离 子）的配位数，用CN来表示。
6 12 0.74 12 0.225R 6 0.414R
空间点阵几何规律的基本空间单元，一般取最小平行六面体。 晶胞 空间点阵几何规律的基本空间单元，一般取最小平行六面体。
锆的化学性质
锆的氧化腐蚀机理
根据Hauffe原子价规律，加入同族元素或者第VB，VIB，VIIIB族元素，将增加 原子价规律，加入同族元素或者第 ， 族元素， 根据 原子价规律 ， 族元素 氧化膜内的电子浓度，减少膜中阴离子空位，从而抑制氧离子扩散，降低腐蚀速率。 氧化膜内的电子浓度，减少膜中阴离子空位，从而抑制氧离子扩散，降低腐蚀速率。
锆的物理性质
• 什么叫做相？相变？密排六方hcp&体心 什么叫做相？相变？密排六方 体心 立方bcc？ 立方 ？
• 金属或合金中具有同一成分，同一状态的均一 组成，并有界面与其它部分分开的均匀组成部 分称为相。固溶体相和化合物相等。 • 由于温度、成分或压力的变化而导致金属或合 金发生相的分解，相的合成或晶体结构的转变 过程称为相变。
Classification of materials based on structure
Regularity in atom arrangement —— periodic or not (amorphous)
Single crystal: Polycrystalline:
in the form of one crystal grain boundaries grains
c 2 2 3 a = ( ) + × a 2 3 2
2 2
•
•
••
• •• •
• •
• • ••
c 8 =1.633 ∴ = a 3 CN =12 ξ = 0.74
结构特征 点阵常数 原子半径 R 晶胞内原子数 配位数 致密度 四面体间隙 数量 大小 数量 八面体间隙 大小
面 心 立 方 (fcc) a
体 心 立 方 (bcc) a
密 排 六 方 (hcp) a, c (c/a=1.633)
2 a 4
4 12 0.74 8 0.225R 4 0.414R
3 a 4
2 8 0.68 12 0.291R 6 0.154R <100> 0.633R <110>
a 2
1 2
a2 c2 wk.baidu.com+ 3 4
Space lattice（空间点阵） is a point array which represents the regularity of atom arrangements.
Lattice Constants
c c
β α b a γ β α a γ
b
七大晶系
Triclinic(三斜 三斜) 三斜
减小元件破损率、保证包壳的完整性是提高元件燃耗、 减小元件破损率、保证包壳的完整性是提高元件燃耗、保证 反应堆正常、高效和经济运行的重要前提和主要制约因素。 反应堆正常、高效和经济运行的重要前提和主要制约因素。
对包壳材料的性能要求
设计尺寸？ 设计尺寸？
易于加工， 易于加工，成本低
常见的包壳材料
PCMI
PCCI
芯块与包壳机械相互作用PCMI 芯块与包壳机械相互作用
• PCMI是包壳承受应力的主要来源。 • 芯块的热膨胀系数（10.8x10-6）比包壳管 （6.2x10-6）的大，而且芯块温度高，又有 裂纹及辐照肿胀，因此一定的燃耗后，二 者会相互贴紧，发生PCMI。引起包壳管在 长度和直径上的变化：在轴向变形上发生 棘轮变形，在芯块间的界面处形成环脊。
什么是织构？影响如何？
• 加工/形变织构：加工/形变时晶体滑移，同时也发生转动，变形量大时， 加工/形变织构：加工/形变时晶体滑移，同时也发生转动，变形量大时， 各个晶粒某个相同的滑移系都逐渐转向与拉力轴平行，趋于一致， 各个晶粒某个相同的滑移系都逐渐转向与拉力轴平行，趋于一致，晶体择 优取向，变形量越大，择优取向越强。 优取向，变形量越大，择优取向越强。
PCCI
燃料元件设计
压水堆燃料组件
棒束长 : 约3~4m 燃料棒的排列：15×15或17×17
燃料棒的排列 15×15 或 17×17
燃料元件设计
• 燃料元件是反应堆堆芯的关键部件，主要 主要 功能是释放能量，屏蔽强放射性物质。 功能是释放能量，屏蔽强放射性物质 • 其质量是关系到反应堆安全性、经济性和 关系到反应堆安全性、 关系到反应堆安全性 先进性的重要因素。 先进性 • 确定燃料元件的形状、尺寸、排列方式或 栅距时，必须兼顾核设计、热工水力设计 核设计、 核设计 和材料结构设计等级方面的要求。 和材料结构设计
2. 14 types of Bravais lattice
① Tricl: simple (P) ② Monocl: simple (P). base-centered (C) ③ Orthor: simple (P). body-centered (I). base-centered (C). face-centered (F) ④ Tetr: simple (P). body-centered (I) ⑤ Cubic: simple (P). body-centered (I). face-centered (F) ⑥ Rhomb: simple (P). ⑦ Hexagonal: simple (P).
包壳材料
• 包壳的堆内行为 • 锆合金及合金化原理
Questions
• • • • • • • • • • 1）对包壳材料的性能要求是什么？ ）对包壳材料的性能要求是什么？ 2）可考虑用作包壳的候选材料有哪些？ ）可考虑用作包壳的候选材料有哪些？ 3）Zr合金的合金化目的是什么？ 合金的合金化目的是什么？ ） 合金的合金化目的是什么 4）为什么在 中加入 有助于抵消 的危害， 中加入Sn有助于抵消 的危害， ）为什么在Zr中加入 有助于抵消N的危害 降低腐蚀速率？ 降低腐蚀速率？ 5）在Zr中加入 、Ni、Nb等合金元素的好处分 中加入Fe、 、 等合金元素的好处分 ） 中加入 别是什么？ 别是什么？ 6）简述Zr-Sn合金的发展历程。 ）简述 合金的发展历程。 合金的发展历程 7）Zr-4合金的氧化腐蚀规律是什么？ 合金的氧化腐蚀规律是什么？ ） 合金的氧化腐蚀规律是什么 8）Zr合金内氢化破坏的过程如何？ 合金内氢化破坏的过程如何？ ） 合金内氢化破坏的过程如何 9）消除 合金的内氢化措施有哪些？ 合金的内氢化措施有哪些？ ）消除Zr合金的内氢化措施有哪些 10）简述 引发包壳的破损过程。 ）简述PCI引发包壳的破损过程。 引发包壳的破损过程
形成过程：在反应堆运行中，燃料中的水分释放出来， 形成过程：在反应堆运行中，燃料中的水分释放出来，与高管 内壁发生反应，生成氧化锆与氢。这样燃料棒中的氧不断消耗， 内壁发生反应，生成氧化锆与氢。这样燃料棒中的氧不断消耗， 氢分压不断增加， 氢分压不断增加，使燃料棒内的气氛由氧化气氛转变为非氧化 气氛。当变成缺氧气氛时，局部氧化膜就可能被击穿， 气氛。当变成缺氧气氛时，局部氧化膜就可能被击穿，这种缺 陷是氧化膜在长期高温缺氧过程中形成的。随即， 陷是氧化膜在长期高温缺氧过程中形成的。随即，缺口处会大 量地吸氢，同时氢从高温向低温处扩散， 量地吸氢，同时氢从高温向低温处扩散，当吸氢速率超过扩散 速率时，氢化物析出。由于氢化物的析出伴随体积膨胀， 速率时，氢化物析出。由于氢化物的析出伴随体积膨胀，局部 应力场使氢化物取向呈放射状，在温度梯度作用下， 应力场使氢化物取向呈放射状，在温度梯度作用下，氢不断从 内壁向外壁扩散，并在内壁造成裂纹，促使氢化物向外扩展， 内壁向外壁扩散，并在内壁造成裂纹，促使氢化物向外扩展， 在包壳外壁形成突起和鼓包。在功率变化时，包壳受到拉应力， 在包壳外壁形成突起和鼓包。在功率变化时，包壳受到拉应力， 鼓包破裂，导致燃料棒破损。 鼓包破裂，导致燃料棒破损。
a＝b≠c ，α＝β＝γ＝90° ＝ ＝ ＝ ＝ ° a＝b＝c ，α＝β＝γ＝90° ＝ ＝ ＝ ＝ ＝ ° a＝b≠c ，α＝β＝90°γ＝120° ＝ ＝ ＝ ° ＝ °
Rhombohedral（菱方） a＝b＝c ，α＝β＝γ≠90° （菱方） ＝ ＝ ＝ ＝ °
+
P I
+
C
+
F
7×4＝28 Delete the 14 types which are identical 28－14＝14 28－14＝