第四讲 包壳材料.pptVIP

包壳厚度 包壳的作用： 保证燃料棒形状和尺寸的稳定性； 包容裂变产物，以免污染一回路； 防止燃料芯块与高温水直接接触而产生腐蚀或浸蚀； 抑制燃料芯块的辐照肿胀 确定包壳厚度主要考虑一下几点： 1、倒塌压力 2、包壳应力 3、腐蚀损失 4、腐蚀吸氢 5、温度变动 芯块的形状和尺寸 芯块和包壳的相互作用的最后结果是引起包壳的轴向和径向应变。当应变超过规定值，同时在腐蚀的作用下包壳可能会发生破裂。 芯块中心温度比周边的高，从而使燃料元件产生“竹节状”。 通常，压水堆的燃料芯块两端都做成凹面的蝶形。 芯块和包壳的间隙 间隙：供机械装配需要，并容纳反应堆运行时芯块的热膨胀和辐照肿胀。 热膨胀 辐照肿胀 包壳应变：由于热膨胀和辐照肿胀等原因，可能使芯块和包壳接触，发生机械相互作用，并在两个芯块交界处的包壳上形成环脊，造成局部塑性变形——可能发生破裂。 空腔高度、压紧弹簧 空腔： 随着燃耗加深，裂变气体产量有所增加。为了保证寿期末元件棒的内压仍小于外压，必须扩大元件上部裂变气体贮存空间。 一般取空腔高度为155~170mm。 空腔内冲入2~3MPa压力的氦气。（为了防止包壳被压扁，改善芯块和包壳的间隙热导值，推迟包壳与芯块间相互接触） 压紧弹簧 为了防止芯块在吊装和运输过程中位移和滑动，元件棒内上部插入一根螺旋压紧弹簧。 镍718做成。 预紧力为芯块重量的3~6倍。 Zr合金与高温水反应生成的氢，部分被合金的基体吸收，在高温时固溶在基体中。氢在Zr合金中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，因其体积比Zr合金基体体积大14%，且150度以下为脆性相，因此氢化物的析出破坏了晶粒完整性，成为裂纹源。 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，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。 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，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，这种缺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，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，局部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，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。 消除Zr合金的内氢化措施 （1）提高燃料芯块的密度（94-95%TD），减少开口孔率，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，严格控制芯块吸水量； （3）限制芯块中氟杂质的含量，锆管内壁喷丸处理，使表面氟含量低于0.5 μg/g，以防氟杂质释放，击穿氧化膜； （4）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）。 PCMI PCCI 芯块与包壳机械相互作用PCMI 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。 PCCI 燃料元件设计 压水堆燃料组件 燃料棒的排列 15×15 或 17×17 棒束长 : 约3~4m 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、经济性和先进性的重要因素。 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、热工水力设计和材料结构设计等级方面的要求。 设计准则 堆运行条件下 确保包壳是弹性稳定的； 在整个设计寿期内， 包壳不应发生蠕变坍塌 确保包壳是塑性稳定的； 设计寿期末，燃料元件的内部气体压力应低于冷却剂工作压力 最热燃料芯块的最高温度应低于二氧化铀的熔点 整个设计寿期内，包壳的应力应低于考虑了温度和中子辐照影响的材料屈服强度 设计准则 整个设计寿期内，包壳周向弹性加塑性应变不得超过1%，通常以最大压缩应变（寿期初）和最大拉伸应变（寿期末）的代数差表示； 包壳运行累积的应变疲劳循环次数应低于设计的应变疲劳次数； 设计寿期末，包壳的最大腐蚀深度应小于包壳壁厚的10%。 燃料元件设计包括 燃料和包壳材料的选择: 燃料元件棒径: 包壳厚度: 芯块形状尺寸: 包壳和芯块间隙: 气体贮存空腔尺寸: 充氦加