第四讲 包壳材料

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）
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
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。
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 o °
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）
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
★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。
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 + 3 4
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＝
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。
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.
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).
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
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。
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。
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
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
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
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。