锆合金在核工业中的应用现状及发展前景

0+ 等 ! 不过应指出 & 知名公司开发的商用 $ 带商
标 % 的优良锆合金 " 并不制订标准 " 其技术条件只能 通过技术转让取得 ! ’ 压水堆核电厂燃料组件设 然而 "1 23 #(4(5-667 计准则 ( 所规定的 " 与锆合金有关的包壳自立 # 蠕变 坍塌 # 应力 # 应变 # 疲劳 # 腐蚀和磨蚀 # 温度等准则要 求必须满足 " 以保证燃料棒在工况 8# 工况 9 下不发 生破损 ! 显然 " 包壳自立准则 " 不适用于 % : ; < = 堆 燃料棒设计 " 因其包壳属坍塌型之例 ! 这就告诉我 们 & 核工业中不同的锆合金部件有不同的标准规定 " 即使是相同的锆合金部件 $ 如包壳 % " 也会因使用条 件的差异 " 其标准规定也会有所不同 !
的 " 但是这样做会涉及到核燃料的制造 # 运输和贮存 等一系列问题 "是否经济也值得探讨 ! 看来就目前发 展而论 " 较长时间还是以 !*
+,!
) 作为富集度限值来
进一步提高轻水堆燃料组件批平均卸料燃耗 ! 轻水堆燃料组件定位格架的改进工作是继续提 高热工水力性能和采用锆合金制作堆芯活性段格 架 ! 同时进一步优化格架设计 " 提高端部格架夹持燃 料棒的能力 " 防止装卸料时组件发生钩挂 ! 但是沸水 燃料组件的定位格架有返用因科镍的动向"值得探讨! 压水堆燃料组件的导向管 " 继增加直径和壁厚 提高刚度 " 较好地解决了控制棒插入不完全的问题 后 " 还需进一步优化设计和制造工艺 " 使之性能适应 高燃耗燃料组件的发展 ! 沸水堆燃料组件水棒和元件盒 " 其棒的粗细根 数和位置等还在进一步优化之中 $ 而元件盒的形状 还需进一步优化 "以提高燃料组件的性能 ! 进一步提高燃耗 " 解决提高燃耗带来的问题 " 降 低破损率 " 仍是轻水堆燃料组件燃料棒进一步的研 究方向 ! 日本在开展高 01#234+ 和高 0145 6 7234+ 合金包 壳材料的研究"准备用于批平均卸料燃耗达 ."# $ % &/ ( ) 的沸水堆燃料组件 $ 采用调整控制 8 9 : 和 5 9 : 合 金包壳织构 " 以降低压水堆燃料棒 ;< = 效应 ! 日本原
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%%!!"#$%&’ 中的应用现状 ()*+,
刘承新 ( 北京核工程研究设计院 " 北京 !11@/1) 摘 要 % 概要介绍锆合金在核工业中作为热中子动力堆堆芯结构材料的应用现状及其发展前景 #
关键词 % 锆合金 ’燃料棒 ’燃料组件 ’ 反应堆
测量装置就位的仪表管 & 为容纳燃料棒束和为十字
2=@ DE #8 ! 和 ? -,! 等 适 用 于 压 水 堆 高 燃 耗 燃 料 棒
的包壳材料 " 还在深入优化研究 " 并积累各种燃耗水 平的经验和数据 "为发展计算机程序创造条件 !
<: 5 9 ) 堆燃料未来发展将选用压水堆乏燃料
和低富集度铀作燃料 " 燃料棒束的燃料棒也从 ,. 根 增到 F, 根 "但其锆合金部件仍用 234F! 作为燃料通 道的压力管 " 则致力于将其使用寿命由 +! 年 G!H 负 荷因子 " 近期延长至 ," 年 I"* 负荷因子 " 远期延长 至 F" 年 I"* 负荷因子 ! 为此 " 对用做压力管的 234
A ; @?,@+@@ 和 A ; @?,5+@@ $ 可见版本过旧 " 应尽快修
订 ’ 并且宜补订锆合金板材和包壳管材的标准 " 以适
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应我国核工业用锆合金的发展 !
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管#燃料棒包壳! 至于日本的 ; < : 和 C < : #: Q Q 5% 1 的
现行的核工业用锆合金铸锭 & 棒材 & 板材和管标 准 分 别 是 %’ <=> %; 281> +5,"; 28!+5?"; 28#+5? 和
; 282+58 $ 而 ’ <=> %; @!! 是燃料棒包壳管材的专用
标准 $ 我国根据相应 ’ <=> 标准制订的核工业用锆 合 金 铸 锭 & 管 材 和 棒 材 标 准 依 次 是 A ; @?,?+@@ &
!""概 述
鉴于锆合金具有密度低 ! 比强高 ! 耐腐蚀 ! 加 工 性能优异 ! 热中子吸收截面低等一系列特点 " 因此 " 在核工业中得到了广泛的应用 # 并且其应用也促进 了核工业的发展 $ 本文仅就锆合金作为热中子动力堆 堆芯结构材料的应用现状及发展前景做一简要介绍$
形控制棒组件提供上下移动通道的元件盒 & 为定位 格架轴向定位和优化核设计及热工水力设计的水 棒 & 方形水盒等 $ 秦山三期用 & ’ ( ) * +, 型先进燃料 组件 " 燃料棒包壳 & 端塞 & 燃料棒束的端板 & 隔离块 & 支 撑 垫 都 用 -.+/" 而 0
4> /??国内现状
目前 " 我国已完全具备提供核工业用各种规格 的锆合金管 # 棒和板材的能力 ! 但是向现役核电站提 供堆用锆合金管 # 棒和板材 " 仍限于第一代和第二代 锆合金产品 ! 堆外性能与第三代锆合金相当的 ; -7 和 ; (P 新锆合金 " 尚需取得堆内辐照性能数据 ) 实验 室规模试制的 @8& TL 和 C / 合金 " 正在堆内进行辐 照试验 ) 已试制出符合俄罗斯企业标准的 @A5-; N 合 金管材和板材 " 将待机投入使用 !
堆芯是反应堆内能进行链式裂变反应的区域 " 由 燃料组件及相关组件等组成 $ 目前商用先进燃料组 件中应用锆合金的部件有 % 作为第一道安全屏障的 燃料棒包壳及其端塞 & 为燃料棒提供径向和轴向支 撑的定位格架 & 供相关组件相关棒插入的导向管 & 为
; /& 为弥散体 $
#7 #"""标准及其主要规定
% 质量分数 & ! !MA"4我国核工业用锆合金的发展 " 当务之急是将现 已商运或即将商运的反应堆用锆合金国产化 " 即将 大亚湾 AG 个换料燃料组件用的法国 8 !# 岭澳和秦 山二期燃料组 件 用 的 法 国 低 锡 234F 及 其 发 展 用 法 国的 8 !# 秦山三期燃料组件用加拿大的 234F 和压 力管用加拿大的 234+J !5 K # 田湾核电站燃料组件用 俄罗斯的 234A5 K 及其发展用俄罗斯的 ? -,! 等逐步 实现国产化 ! 与此同时 " 应在 5 AG 和 5 ,- 新锆合金 研制基础上 " 开发具有自主知识产权 # 性能相当于或 优于 2=@ < E 和 8 ! 的堆用锆合金"服务于我国核工业!
F77结束语
我国核工业用锆合金的开发和应用 " 与国外相 比 " 起步并不晚 " 已打下了良好基础 ! 就国内从事锆 合金研制人员素质 # 技术水平和生产能力等方面而 论 " 并不逊色于国外 ! 然而眼前的现实却是我国现已 商运或即将商运的核电站堆用锆合金部件都是国外 的 ! 这一现实需要锆合金工作者加倍努力予以改观 " 为我国核工业发展做出新贡献 ! 参考文献 % 略&
) 富集度限值 " 压水堆燃料组件相应的
批平均燃耗约为 -.#$ % &/ ( ) $ 沸水堆相应的燃料组件 平均卸料燃耗约为 -,#$ % &/ ( ) ! 可见轻水堆燃料组件 提高燃耗还有较大的空间 ! 显然燃料富集度突破 !*
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wenku.baidu.com
) 许可证限值 "从大幅度提高燃耗的角度看是需要
+J !5 K 的初始氢含量设计允许值将由 +!LA"4- 改为
金 " 具有优良的性能 ! 目前广泛用做燃料组件的导向
(???发展前景
显然锆合金将随其在核工业中应用部件的发展
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而发展 ! 就发展前景而论 "继续提高轻水堆燃料组件 燃耗 # 解决加深燃耗带来的问题以及提高燃料组件 的安全可靠性 " 是当前轻水堆燃料元件总的研究发 展趋势 ! 依此派生出来的轻水堆燃料组件结构形式 改进 # 制造工艺改进 # 新材料研制和运行条件改善 等 " 都是为提高轻水截核电厂经济性 # 安全可靠性以 及最大限度地满足用户要求服务的 ! 目前轻水堆燃 料组件批平均卸料燃耗约为 !"#$ % &’ ( ) ! 按照目前 世界范围内许可证规定的轻水堆核燃料制造 # 运输 和贮存 !*
4> (???锆合金品牌
核工业用锆合金发展至今 " 已经历了三代 " 且均 在商用 ! 第 一 代 是 标 准 @A5B 和 @A54" 其 详 细 要 求 在
: "#C 有关标准中均有规定 ! 这一代锆合金仍在商用
动力堆中应用 ! 如沸水堆燃料组件的元件盒用 @A5B 和包壳用 @A54 等 ! 第 二 代 是 低 锡 @A5B 和 优 化 @A5B! 其 中 低 锡
@A5B 的 锡 含 量 由 -> 4)D .-> E)F 调 整 至 -> 4)F .-> /)F " 碳和硅分别控制在 )> ))7F .)> )4)F 和 )> ))/F .)> )-4F " 并严格控制 G 相淬火后在 H 相区退火的
累 积 退 火 工 艺 参 数 : ) 而 优 化 的 @A5B 则 是 在 低 锡
核工业用锆合金现行的 ! "#$ 标准与过去的相 比 "增加了不少新的内容 " 要求也更为严格 ! 如 "已将 不准出现疖状腐蚀 # 管材各向异性参数 % "& 和批标 准偏差等列入检验标准 " 而包壳管内径公差一般要 $ -).-/% 求达到 ’()*+ " 生产厂家则要控制 到 ,
L R#8; 以及西门子公司的复合包壳等也属该代之列!
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子能研究所 % >: ? @ =& 正在开发经过特殊热处理的
014< 345 6 包壳材料 " 用于燃耗 A""7$ % &/ ( ) 7燃料棒 "
该包壳材料基本上属于稳定的 B 相 " 因此 " 具有极 好 的 抗 C< < / =: C< < 和 抗 水 侧 腐 蚀 能 力 ! 其 他 诸 如
4> BS?经验反馈
在核工业长期使用锆合金过程中 " 积累了相当 丰富的经验 " 现简要说明如下 ! 在燃料棒方面 " 发现和解决了或部分解决了锆合 金用做包壳和端塞出现的制造缺陷 # 一次氢化 #R% 8 $ 芯块 * 包壳相互作用 % # 水侧腐蚀 # 包壳坍塌 # 定位 格架与燃料棒磨蚀 # 异物磨蚀 # 燃料棒弯曲等造成燃 料棒破损方面的问题 ! 从而对商用轻水堆燃料棒破 损率降低到目前的 -)5/ 水平 "起到了重要作用 ! 在定位格架方面 " 通过 B 片外带条避开拐角焊 接连接 # 邻近 B 个角的 / 个栅设限位突起和优化外 形等措施 "有效地防止了装卸料时发生的钩挂问题 ! 在导向管方面 " 针对曾经发生的控制棒不能完 全插入或落棒时间延长不能满足事故分析所规定的 限值 "采取了适当增加导向管管径和壁厚的措施"以增 大导向管的刚度予以圆满地解决"从而提高了安全性! 在沸水堆元件盒方面 " 发现因元件盒复用产生 弯曲 " 致使燃料棒局部功率峰值过高而破损 " 决定元 件盒与其内燃料棒束同寿命 " 不再第二次复用 ! 在 % : ; < = 5P?@A54> /; N 压力管方面 " 为延长其 使用寿命 " 采取了改进制造工艺 # 控制延迟氢化裂纹 形成和提高断裂韧性等行之有效的措施 !
@A5B 的基础上 " 更严格地控制合金成分和工艺参数 "
使批标准偏差降低 " 材料的均一性提高 ! 这一代锆合 金应用实例有 : I: ?4J 的包壳管和导向管等! 第三代是以西屋公司的 @8& KL$ @A5-> )"M5-> ); N5
)> -IO% # 法 国 的 C /$ @A5-> ); N5-> 4/L % # 俄 罗 斯 的 1 P(/$ @A5-> ("M5-> ); N5)> (/IO% 等 为 代 表 的 新 锆 合
内
!12$ /%3 3 4/$ !5%3 3 6
,211"3 3 的压力管 " 则用 -.+#7 89 ( :$ 此外 " 相关组
件中的可燃毒物组件 " 其可燃毒物棒的吸收体也有 用 ; /& +-.+# 的 $ ; /& +-.+# 实 际 是 -.+# 为 基 体 相 "
#""应用现状
#$ !%"堆芯用锆合金部件