一種核燃料元件包殼鋯合金不銹鋼復(fù)合管及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種核燃料元件包殼鋯合金不銹鋼復(fù)合管及其制備方法。該復(fù)合管包括冶金結(jié)合的內(nèi)層管材和外層管材，內(nèi)層管材為鋯合金，外層管材為不銹鋼，鋯合金管材與不銹鋼管材之間是冶金結(jié)合層。冶金結(jié)合層含有的元素來自內(nèi)層管材和外層管材。與鋯合金包殼管相比，本發(fā)明的鋯合金不銹鋼復(fù)合管為異種金屬復(fù)合管，其具有更為優(yōu)異的耐水側(cè)腐蝕性能和較好的熱強性，可提高燃料棒的抗LOCA事故的能力，適用于水冷核反應(yīng)堆較高燃耗下或較高溫度下的燃料棒包殼管。
【專利說明】
一種核燃料元件包殼鋯合金不銹鋼復(fù)合管及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及核燃料元件包殼領(lǐng)域，尤其是涉及一種可用作水冷核反應(yīng)堆較高燃耗下或較高溫度下的燃料棒包殼管。特別地，本發(fā)明涉及在水冷核反應(yīng)堆中表現(xiàn)出改良耐腐蝕性能及較好熱強性的燃料包殼管，這種包殼管可提高燃料棒的抗LOCA事故的能力。
【背景技術(shù)】
[0002]鋯合金由于熱中子吸收截面小、導熱率高、機械性能好，又具有良好的加工性能以及同UO2相容性好，尤其對高溫水、高溫水蒸氣也具有良好的抗蝕性能和足夠的熱強性，因此被廣泛用作水冷動力堆的包殼材料和堆芯結(jié)構(gòu)材料。
[0003]目前，鋯合金中可添加的合金元素雖然受到熱中子吸收截面大小的限制，但仍然形成了多種系列的鋯合金，概括起來主要有Zr-Sn系、Zr-Nb系和Zr-Sn-Nb系三大類。Zr-Sn系主要有Zr-2合金、Zr-4合金和低錫Zr-4合金等，Zr-Nb系有Zr-2.5%Nb合金(本文中除非特別說明，所有成分均為質(zhì)量百分數(shù))、Zr-l%Nb合金和M5合金，Zr-Sn-Nb系包括美國西屋公司的ZIRLO合金、日本的NDA合金、俄羅斯的E635合金以及我國的N18合金、N36合金等。
[0004]為了進一步提高核電的經(jīng)濟性和安全性，核燃料元件越來越向高燃耗、長循環(huán)方向發(fā)展，這對鋯合金包殼材料不斷提出新的要求和挑戰(zhàn)。為此，世界各國從來沒有停止過鋯合金研究發(fā)展的步伐。
[0005]第一代鋯合金如常規(guī)Zr-4合金燃耗只能達到30GWd/tU，優(yōu)化Zr-4合金燃耗可達40-50Gffd/tU；
[0006]上世紀70年代以來國內(nèi)外開發(fā)了第二代鋯合金，用于壓水堆的主要有:E635合金、ZIRLO合金和M5合金等。ZIRLO合金被批準的燃料組件燃耗為60GWd/tU，優(yōu)化ZIRLO合金被批準的燃料組件燃耗可達70GWd/tU; M5合金被批準的燃料組件燃耗為52-62GWd/tU，德國批準的M5合金燃料組件燃耗達70GWd/tU。
[0007]目前，國內(nèi)外仍在不斷開發(fā)新的鋯合金包殼材料，以提高其耐腐蝕性能、吸氫性能、力學性能、抗輻照生長性能和抗輻照蠕變性能，其中耐腐蝕性能和吸氫性能是鋯合金最關(guān)鍵且最易產(chǎn)生變化的性能。
[0008]2011年日本福島核事故后，對燃料棒抗LOCA事故的能力提出了更高的要求。目前，本領(lǐng)域技術(shù)人員試圖找到一種抗LOCA事故的燃料棒包殼材料。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]鑒于現(xiàn)有鋯合金包殼管的不足，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種耐高溫高壓水介質(zhì)腐蝕的新型燃料棒包殼管，具有更為優(yōu)異的耐腐蝕性能和較好的熱強性，可提高燃料棒的抗LOCA事故的能力。
[0010]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種核燃料元件包殼鋯合金不銹鋼復(fù)合管及其制備方法，具體地，本發(fā)明提供的技術(shù)方案如下:
[0011]—種核燃料元件包殼鋯合金不銹鋼復(fù)合管的制備方法，包括以下步驟:
[0012]a)將鋯合金坯料經(jīng)過加工，制備成鋯合金管坯；
[0013]b)將不銹鋼坯料經(jīng)過加工，制備成不銹鋼管坯；
[0014]c)將不銹鋼管坯裝配在鋯合金管坯外，放入電子束焊箱內(nèi)抽真空，然后對不銹鋼管坯和鋯合金管坯的上端面和下端面進行電子束焊接，使不銹鋼管坯和鋯合金管坯的接觸面之間的間隙保持真空，得到擠壓管坯；
[0015]d)將擠壓管坯包上內(nèi)包套和外包套，在真空條件下或惰性氣體保護下加熱，然后利用擠壓機進行擠壓，得到乳制管坯；
[0016]e)去除內(nèi)包套和外包套，將乳制管坯進行清洗之后，通過乳制工藝獲得鋯合金不銹鋼復(fù)合管，鋯合金不銹鋼復(fù)合管中鋯合金管和不銹鋼管間具有冶金結(jié)合層。
[0017]優(yōu)選地，步驟a中的錯合金還料包括純錯和錯基合金，錯基合金包括Zr-Sn系、Zr-Nb系或Zr-Sn-Nb系合金。
[0018]優(yōu)選地，步驟b中的不銹鋼坯料為鐵素體不銹鋼、奧氏體不銹鋼或氧化物彌散強化(ODS)鋼。
[0019]優(yōu)選地，在步驟c前將鋯合金管坯和不銹鋼管坯進行機加工和表面清洗，使接觸面保持清潔。
[0020]優(yōu)選地，步驟c中抽真空至低于3 X 10—3Pa。
[0021 ] 優(yōu)選地，步驟d中的加熱溫度為700 °C-1250 °C。
[0022]—種核燃料元件包殼鋯合金不銹鋼復(fù)合管，復(fù)合管包括冶金結(jié)合的內(nèi)層管材和外層管材，內(nèi)層管材為鋯合金，外層管材為不銹鋼，復(fù)合管還包括位于內(nèi)層管材與外層管材之間的冶金結(jié)合層，冶金結(jié)合層含有的元素來自內(nèi)層管材和外層管材。
[0023]優(yōu)選地，冶金結(jié)合層含有的元素包括2廣？6、0、]?11、311、附^1、]\10、(:0、恥、11、￥、01、W、0、S1、B、C、N、P、S、Be、Se和稀土等元素中的一種或多種。
[0024]優(yōu)選地，內(nèi)層管材的厚度為0.05mm?0.95mm，外層管材的厚度為0.05mm?0.70mm，冶金結(jié)合層的厚度為0.0Olmm?0.20mm。
[0025]—種使用核燃料元件包殼鋯合金不銹鋼復(fù)合管的核燃料棒，核燃料棒包括燃料芯體和包殼。包殼為鋯合金不銹鋼復(fù)合管，從內(nèi)到外依次為鋯合金、冶金結(jié)合層和不銹鋼，燃料芯體設(shè)置在鋯合金不銹鋼復(fù)合管中。
[0026]由于上述技術(shù)方案的采用，本發(fā)明與鋯合金包殼管材相比具有以下特點:
[0027]第一，通過本發(fā)明獲得的鋯合金不銹鋼復(fù)合管為異種金屬復(fù)合管，其抗水側(cè)腐蝕性能要優(yōu)于鋯合金包殼管。本發(fā)明在現(xiàn)有技術(shù)的核燃料包殼鋯合金管的外側(cè)，通過冶金結(jié)合增加了一層不銹鋼層，由于不銹鋼材料在高溫高壓水介質(zhì)中的抗腐蝕性能要優(yōu)于鋯合金，特別是在蒸汽條件下具有較慢的氧化速率，避免了鋯合金包殼管在高溫下發(fā)生由于過度氧化而導致的脆化失效，因此，復(fù)合管可以提高燃料棒包殼管的耐水側(cè)腐蝕性能。
[0028]第二，通過本發(fā)明獲得的異種金屬復(fù)合管，其熱強性要優(yōu)于鋯合金包殼管。本發(fā)明所述的鋯合金不銹鋼異種金屬復(fù)合管，鋯合金管材與不銹鋼管材之間是冶金結(jié)合層。該冶金結(jié)合層起著粘結(jié)作用，使鋯合金與不銹鋼之間緊密結(jié)合沒有間隙，由于不銹鋼的高溫強度要優(yōu)于鋯合金的緣故，使得復(fù)合管的熱強性要優(yōu)于鋯合金管材。
[0029]第三，通過本發(fā)明獲得的異種金屬復(fù)合管，具有良好的導熱性能。由于復(fù)合管中的鋯合金管材與不銹鋼管材之間是冶金結(jié)合，兩種管材之間沒有間隙存在，因此，復(fù)合管具有良好的導熱性能。
[0030]因此，與鋯合金包殼管相比，本發(fā)明的鋯合金不銹鋼異種金屬復(fù)合管具有更為優(yōu)異的耐水側(cè)腐蝕性能和較好的熱強性，在較高溫度下可確保燃料棒的結(jié)構(gòu)完整性，可提高燃料棒抗LOCA事故的能力，適用于水冷核反應(yīng)堆較高燃耗下或較高溫度下的燃料棒包殼管。
[0031]以下將結(jié)合附圖對本發(fā)明的方法及產(chǎn)生的技術(shù)效果作進一步說明，以充分地了解本發(fā)明的目的、特征和效果。
【附圖說明】
[0032]圖1是本發(fā)明的較佳實施例的復(fù)合管剖面圖。
[0033]圖2是本發(fā)明的較佳實施例的擠壓管坯端部裝配示意圖。
[0034]圖3是本發(fā)明的較佳實施例的復(fù)合管的冶金結(jié)合層的示意圖。
【具體實施方式】
[0035]如圖1所示為本發(fā)明較佳實施例的復(fù)合管剖面圖，復(fù)合管包括內(nèi)層管材I和外層管材2。其中內(nèi)層管材I采用鋯合金，外層管材2采用不銹鋼。復(fù)合管還包括位于內(nèi)層管材I和外層管材2之間的冶金結(jié)合層3，其所含元素來自內(nèi)層管材I和外層管材2。
[0036]本較佳實施例采用的鋯合金優(yōu)選為Zr-4合金，Zr-4合金管材厚度為0.35?
0.55mm;不銹鋼優(yōu)選為0Crl8Ni9Ti不銹鋼，不銹鋼管材厚度為0.15-0.35mm ；冶金結(jié)合層厚度為0.0Imm-0.1mm。錯合金不銹鋼復(fù)合管的厚度為0.50mm-0.65mm，外徑為8.0mm-12mm，長度為1.0m-6.0m0
[0037]本發(fā)明較佳實施例的鋯合金不銹鋼異種金屬復(fù)合管的制備過程和步驟如下:
[0038](I)通過加工，將Zr-4合金坯料制備成Zr-4合金管坯；
[0039](2)通過加工，將0Crl8Ni9Ti不銹鋼坯料制備成0Crl8Ni9Ti不銹鋼管坯；
[0040](3)將兩種管坯進行機加工和表面清洗，使接觸面保持清潔；
[0041](4)將加工好的兩種管坯進行裝配，如圖2所示，不銹鋼管坯(外層管材2)裝配在鋯合金管坯(內(nèi)層管材I)外，放入電子束焊箱內(nèi)抽真空，真空低于3X 10—3Pa,然后對管坯端面進行電子束焊接，使兩者接觸面之間的間隙保持真空，得到擠壓管坯。
[0042](5)將擠壓管坯包上內(nèi)、外包套，在真空條件下在1150°C加熱，然后在擠壓機上進行擠壓，得到乳制管坯。
[0043](6)去除內(nèi)、外包套，將乳制管坯進行清洗之后，通過乳制工藝獲得復(fù)合管。如圖3所示，其中鋯合金管(內(nèi)層管材I)和不銹鋼管(外層管材2)間形成一層冶金結(jié)合層3。
[0044]由于外層的0Crl8Ni9Ti不銹鋼具有優(yōu)異的耐腐蝕性，特別是在高溫高壓水介質(zhì)中顯示出優(yōu)于鋯合金的抗腐蝕性，在反應(yīng)堆發(fā)生LOCA事故時能夠減緩高溫氧化；同時，0Crl8Ni9Ti不銹鋼的高溫強度要優(yōu)于鋯合金，因此，該復(fù)合管的熱強性要優(yōu)于鋯合金。因此，與鋯合金包殼管相比，本發(fā)明的異種金屬復(fù)合管具有更為優(yōu)異的耐水側(cè)腐蝕性能和較高的熱強性，可提高燃料棒的抗LOCA事故的能力，適用于核反應(yīng)堆較高燃耗下或較高溫度下的燃料棒包殼管。
[0045]以上詳細描述了本發(fā)明的較佳具體實施例。應(yīng)當理解，本領(lǐng)域的普通技術(shù)無需創(chuàng)造性勞動就可以根據(jù)本發(fā)明的構(gòu)思做出諸多修改和變化。因此，凡本技術(shù)領(lǐng)域中技術(shù)人員依本發(fā)明的構(gòu)思在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上通過邏輯分析、推理或者有限的實驗可以得到的技術(shù)方案，皆應(yīng)在由權(quán)利要求書所確定的保護范圍內(nèi)。
【主權(quán)項】
1.一種核燃料元件包殼鋯合金不銹鋼復(fù)合管的制備方法，其特征在于，包括以下步驟: a)將鋯合金坯料經(jīng)過加工，制備成鋯合金管坯； b)將不銹鋼坯料經(jīng)過加工，制備成不銹鋼管坯； c)將不銹鋼管坯裝配在鋯合金管坯外，放入電子束焊箱內(nèi)抽真空，然后對不銹鋼管坯和鋯合金管坯的上端面和下端面進行電子束焊接，使不銹鋼管坯和鋯合金管坯的接觸面之間的間隙保持真空，得到擠壓管坯； d)將擠壓管坯包上內(nèi)包套和外包套，在真空條件下或惰性氣體保護下加熱，然后利用擠壓機進行擠壓，得到乳制管坯； e)去除內(nèi)包套和外包套，將乳制管坯進行清洗之后，通過乳制工藝獲得鋯合金不銹鋼復(fù)合管，鋯合金不銹鋼復(fù)合管中鋯合金管和不銹鋼管間具有冶金結(jié)合層。2.如權(quán)利要求1所述的核燃料元件包殼鋯合金不銹鋼復(fù)合管的制備方法，其中步驟a中的所述鋯合金坯料包括純鋯和鋯基合金，鋯基合金包括Zr-Sn系、Zr-Nb系或Zr-Sn-Nb系合金。3.如權(quán)利要求1所述的核燃料元件包殼鋯合金不銹鋼復(fù)合管的制備方法，其中步驟b中的所述不銹鋼坯料為鐵素體不銹鋼、奧氏體不銹鋼或氧化物彌散強化鋼。4.如權(quán)利要求1所述的核燃料元件包殼鋯合金不銹鋼復(fù)合管的制備方法，其中在步驟c前將鋯合金管坯和不銹鋼管坯進行機加工和表面清洗，使接觸面保持清潔。5.如權(quán)利要求1所述的核燃料元件包殼鋯合金不銹鋼復(fù)合管的制備方法，其中步驟c中抽真空至低于3 X 10—3Pa。6.如權(quán)利要求1所述的核燃料元件包殼鋯合金不銹鋼復(fù)合管的制備方法，其中步驟d中的加熱溫度為700 °C-1250 °C。7.一種核燃料元件包殼鋯合金不銹鋼復(fù)合管，其特征在于，所述復(fù)合管包括冶金結(jié)合的內(nèi)層管材和外層管材，所述內(nèi)層管材為鋯合金，所述外層管材為不銹鋼，所述復(fù)合管還包括位于所述內(nèi)層管材與所述外層管材之間的冶金結(jié)合層，所述冶金結(jié)合層含有的元素來自所述內(nèi)層管材和所述外層管材。8.如權(quán)利要求7所述的核燃料元件包殼鋯合金不銹鋼復(fù)合管，其中所述冶金結(jié)合層含有的元素包括2『、卩6、0、]?11、511、附、厶1、]\10、(:0、恥、11、￥、01、￥、0、51、8、(:、1?、5、86、56和稀土等元素中的一種或多種。9.如權(quán)利要求7所述的核燃料元件包殼鋯合金不銹鋼復(fù)合管，其中所述內(nèi)層管材的厚度為0.05mm?0.95mm，所述外層管材的厚度為0.05mm?0.70mm，所述冶金結(jié)合層的厚度為0.0Olmm?0.20mm010.—種使用如權(quán)利要求7-9所述的核燃料元件包殼鋯合金不銹鋼復(fù)合管的核燃料棒，其特征在于，所述核燃料棒包括燃料芯體和包殼。所述包殼為鋯合金不銹鋼復(fù)合管，從內(nèi)到外依次為鋯合金、冶金結(jié)合層和不銹鋼，所述燃料芯體設(shè)置在所述鋯合金不銹鋼復(fù)合管中。
【文檔編號】B23P15/00GK106078086SQ201610411172
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年6月12日 公開號201610411172.7, CN 106078086 A, CN 106078086A, CN 201610411172, CN-A-106078086, CN106078086 A, CN106078086A, CN201610411172, CN201610411172.7
【發(fā)明人】李聰, 李繼威, 曾奇鋒, 盧俊強, 朱麗兵, 劉家正, 周欣, 陳磊
【申請人】上海核工程研究設(shè)計院