國外鋯棒鋯管等鋯合金研究發(fā)展概況

鋯是熱中子吸收截面最低的金屬之一，通過在鋯中添加一定的元素（錫、鐵、鉻等）制成的鋯合金具有良好的耐高溫水腐蝕性能、良好的綜合力學性能和較高的導熱性能等一系列優(yōu)點，是目前輕水反應堆燃料元件唯一理想使用的包殼材料。與早期使用的奧氏體不銹鋼作為燃料包殼相比，采用鋯合金明顯減少了中子損失，提高了燃料的利用率。此外，鋯棒、鋯管等鋯合金還廣泛用于堆芯其他結構材料，如燃料棒端塞,為燃料棒提供徑向和軸向支撐的定位格架，供組件相關棒插入的導向管,為容納燃料棒束和為十字形控制棒組件提供上下移動通道的元件盒等。

通常，一座商業(yè)核電站中需要使用大量鋯材，我國秦山二期核電站（2x60 萬千瓦裝機容量），僅首爐裝料就使用了63888 支包殼管，重量約25 噸，以此計算一臺百萬千瓦級核電機組，每一個換料周期（12 個月或18 個月），1/3 的燃料組件需要更換，在整個壽命周期內（40年）將消耗至少400噸鋯合金包殼。

隨著壓水堆燃料功率、安全可靠性和經濟性的提高，作為長循環(huán)、高燃耗燃料元件的燃料包殼需要具有更優(yōu)異的性能，包括具有高的耐水側腐蝕性能和抗吸氫性能、高的抗輻照生長和蠕變性能，在事故條件下抗氧化和抗氫化、抗芯塊與包殼相互作用（PCI）的能力、以及良好的空間穩(wěn)定性等。自上世紀70年代以來，美、俄、法、日、韓等國通過總結改善燃料組件設計、調整和控制反應堆運行條件以及改善包殼材料腐蝕性能的研究，成功開發(fā)了各種新型鋯合金包殼材料，如ZIRLO、AXIOM、E635、M5、HANA、NDA、J-AlloyTM、MDA、M-MDA。

1、美國

美國西屋公司開發(fā)的ZIRLO 合金作為燃料元件的包殼材料，在BR3 堆中經平均燃耗為71GWd/tU 的考驗后，其均勻腐蝕比Zr-4 合金小50%，輻照生長和蠕變性能也優(yōu)于Zr-4合金。

AXIOM 是西屋公司開發(fā)的一種先進包殼材料，目前有五種備選合金，分別是X1、X2、X4、X5 和X5A。開發(fā)AXIOM 的目的是滿足越來越富有挑戰(zhàn)的燃料管理計劃的要求。總體來講，設計的合金及其合適的顯微組織結構獲得了更好的抗腐蝕性、較低的吸氫、較低的蠕變、較小的生長和對異常運行工況及異常事件具有較好的抵抗能力。從2004 年在美國裝置上進行了首次輻照以來，AXIOM 被納入了多個反應堆和輻照計劃中。AXIOM合金在多個裝置中的運行經驗以及在多種工況下的試驗證明了其優(yōu)越的抗腐蝕性能。

2、俄羅斯

俄羅斯開發(fā)的E635 合金原計劃取代E110 合金作為RBMK 堆用燃料元件包殼材料，采用E635 合金制成的燃料棒經試驗堆和商業(yè)堆進行了輻照考驗，結果表明，E635 包殼燃料棒表面氧化生長速率與E110 相當，其抗輻照蠕變和生長大大優(yōu)于E110 合金，入堆的E635 包殼燃料棒未發(fā)生破損。

3、法國

法國開發(fā)的M5合金在目前已商用的鋯合金包殼材料中表現出了極好的抗腐蝕性能，它含有1%的鈮，不含錫且能很好控制氧、鐵和硫的含量，并具有由于采用低溫工藝而形成的穩(wěn)定的全再結晶化微觀結構，在高燃耗和大功率輻照條件下會產生非常低的腐蝕率，且吸氫量非常低。堆內輻照考驗表明，當燃耗達到60GWd/tU時，M5合金的氧化膜厚度只有Zr-4合金的1/3，吸氫量只有Zr-4合金的1/5，而且輻照生長和蠕變性能都優(yōu)于Zr-4合金。

4、韓國

HANA 合金是韓國研究開發(fā)的鋯合金，目標是滿足燃耗高達70GWd/tU的燃料包殼使用要求。HANA系列為含鋯鉻合金，并添加錫、鐵或銅等微量合金元素，以提高燃料包殼的抗腐蝕性能。從2003 年開始，HANA 系列合金入研究堆進行堆內性能試驗，入堆輻照的HANA合金最終熱處理采用510℃退火，獲得部分再結晶（p-RXA）的顯微組織。結果證明其堆內抗腐蝕性比Zr-4提高了30%-50%。其后，HANA-4和HANA-6入商用堆進行輻照考驗，結果證明其抗堆內腐蝕和蠕變性能優(yōu)于參照鋯鉻合金包殼。

5、日本

J-AlloyTM 是日本開發(fā)的含鈮鋯合金系列，包括J1、J2 和J3 三種候選材料，含這三種候選材料的先導試驗組件已入西班牙的商用堆進行了2 個循環(huán)的考驗，結果證明燃耗達到50GWd/tU時，J-AlloyTM的抗腐蝕性能優(yōu)于Zr-4、MDA。

M-MDA 是日本在MDA 合金基礎上的改進合金，屬于鋯錫鉻（Zr-Sn-Nb）系合金，與MDA 合金相比，降低了合金中的錫、鐵含量，提高了鉻含量。目前，含MDA、M-MDA 材料的先導試驗組件在西班牙的商用堆進行了4 個循環(huán)的考驗，結果證明M-MDA 最大燃 耗達到73GWd/tU時，其抗腐蝕性能優(yōu)于Zr-4、MDA。國際上發(fā)達國家在開發(fā)新型高性能鋯合金的同時，通過優(yōu)化合金成分配比或者添加其它合金元素、改進加工工藝等方式還可開發(fā)出更加優(yōu)良的鋯合金，以滿足燃耗不斷提高的需要。在新型鋯合金成分改進方面，法國在總結M5 合金的使用經驗后開展了對M5 鋯合金的優(yōu)化改進，由于M5 合金在堆內運行過程中出現了燃料棒或燃料元件彎曲以及抗輻照生長性能差等異常現象，因此法國在M5 合金成分基礎上添加了少量的錫及鐵，在保持合金優(yōu)良耐腐蝕性能基礎上大幅改善了合金的力學性能，尤其是蠕變及輻照生長性能。美國西屋公司針對ZIRLO 合金的應用經驗，研制出優(yōu)化ZIRLO 合金，是將ZIRLO 合金的錫水平從約1%降至0.6%到0.8%的范圍，采用優(yōu)化ZIRLO 的先導試驗組件（LTA）入堆運行。與ZIRLO相比，優(yōu)化的ZIRLO的包殼和結構組件具有以下性能：相似的燃料棒包殼蠕變、相似的PCI 破損閾值、相似的高溫氧化動力學和淬火后延伸行為、燃料棒腐蝕降低40%、較低的結構腐蝕和吸氫、高燃耗下較低的燃料組件生長率。2008年以來，采用優(yōu)化ZAIRLO的燃料棒在14個電廠進行了堆內運行考驗。

我國自主設計的燃料元件

在新型鋯合金工藝改進方面，采用合適的熱加工工藝還可以進一步改善鋯合金的性能。如ZIRLO、M5等，由于這些合金中的鈮含量較高，其大部分會以第二相形式析出，在加工過程中，如果熱加工溫度過高，發(fā)生第二相的粗化和不均勻分布，可能會引起耐腐蝕性能變差，因而都強調要采用“低溫加工工藝”，即在包殼管材加工過程中，采用較低熱加工溫度及退火溫度的低溫加工工藝能夠獲得細小彌散的第二相組織，大幅改善了合金的腐蝕及力學性能，尤其是耐腐蝕性能。

總的來說，高燃耗燃料的設計，要求延長這些部件在堆內的停留時間和提高冷卻劑溫度，從而使得鋯合金部件面臨著更為苛刻的使用環(huán)境，這些高要求促進了改善鋯合金包殼性能的研究，同時推動了對具有更優(yōu)良的性能的新型鋯合金的開發(fā)。

（作者單位：中國核動力研究設計院）