（材料加工工程专业论文）05mmcd2镉板脉冲tig点焊及重熔补焊工艺研究.pdf

摘要 摘要 核电站已使用过的核燃料称之为乏燃料( 废燃料) ，将乏燃料堆放在一起，其相互间 释放中子会引起连锁核裂变反应，产生很强的辐射。镉作为一种良好的中子吸收材料而 被应用于处理乏燃料的主要设备贮存格架的制造中。乏燃料格架套筒是一种三层结构 的设备，由壁厚2 m m 的内圆管、壁厚o 8 m m 的外圆管、中间夹着用于吸收中子的0 5 m m 金属镉板( c d 2 ) 通过焊接形成的镉套筒。镉作为一种熔点低、易氧化的难焊金属，使其 焊接问题成为乏燃料格架套筒制造中的一大难点。 本文通过焊接试验、力学试验、显微组织分析和中子通量试验等方法，对不同焊接 工艺参数( 点焊时间、脉冲电流、弧长、保护气体流量等) 条件下的脉冲t i g 点焊和重 熔补焊的焊缝质量进行了研究。研究结果表明，当脉冲电流i p 较大时应适当降低焊接 时间t ；当脉冲电流i p 较小时应适当增大脉冲焊接时间t 。钨极内缩量应选择在5 m m - 一 6 m m ，氩气流量选择范围在3 - 4 l m i n 。随着脉冲电流和焊接时间的增加，焊接接头处 的抗剪切力随之增大，焊接处点核直径d 2 也随之增大。并且通过拉伸试件的扭曲形式， 分析得出在单点搭接焊时，实际上试件所受的是拉剪复合力。通过断口分析，发现断 口成韧窝+ 准解理的混合断口形貌，断裂位置在热影响区处。镉( c d 2 ) 薄板母材的晶 粒组织呈六边形形状，这与镉为密排六方的晶格结构相符。镉( c d 2 ) 薄板脉冲t i g 点 焊焊接接头组织为粗大的近似柱状晶的晶粒组织。脉冲电流增大和点焊时间的延长都会 使晶粒度增大，而中子通量检测镉比值r e d 随晶粒度的增大而减小，故应选取小电流， 短焊接时间。推荐选用的脉冲t i g 点焊的工艺参数为：脉冲电流i p = s a ，焊接时间t = 3 s ， 钨极内缩5 m m ，氩气流量3 5 l m i n 。 重熔补焊件的试验结果证明正常点焊所选取的工艺参数同样适用于重熔补焊，金相 组织分析显示，补焊处焊缝组织虽粗大，但比正常点焊时细小。分析认为，造成这一现 象的主要原因是重熔补焊中的形核率增大和晶粒长大速度变缓。 关键词：镉板；脉冲1 1 g 点焊；显微组织；拉伸力学；中子 大连交通大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t t h en u c l e a rf u e lh a sb e e nu s e db yt h en u c l e a rp o w e rs t a t i o n ，w h i c hi sc a l l e dt h es p e n t f u e l t h es p e n tf u e lw i l lp r o d u c ev e r ys t r o n gn u c l e a rr a d i a t i o nb e c a u s eo ft h e i rm u t u a l r e l e a s i n gn e u t r o n sb r i n g i n gac h a i nn u c l e a rf i s s i o nr e a c t i o nw h e nt h e ya r es t a c k e dt o g e t h e r c a d m i u ma sag o o da b s o r b i n gn e u t r o nm a t e r i a l si sa p p l i e do nt h em a n u f a c t u r eo fs t o c k p i l e f r a m e w h i c hi sam a i ne q u i p m e n tu s e dt od i s p o s et h es p e n tf u e l t h es p e n tf u e lf r a m es l e e v e i sat h r e e 1 a y e rs t r u c t u r e w h i c hi sc o m p o s e do f2 m mi n n e rc i r c u l a rp i p e ，0 8 m mo u t e rc i r c u l a r p i p ea n dc a d m i u ms l e e v ew e l d e db y0 5 m mc a d m i u mp l a t e ( c d - 2 、) i nt h em i d d l eo fi n n e ra n d o u t e rc i r c u l a rs l e e v e b e c a u s eo fl o wm e l t i n gp o i n ta n do x i d i z a b l ep r o p e r t yo fc a d m i u m t h e w e l d i n go fc a d m i u mp l a t e ( c d 一2 ) h a sb e e nb e i n gad i f f i c u l tp r o b l e mi nt h ep r o c e s so f m a n u f a c t u r eo ft h es p e n tf u e lf r a m es l e e v e t i l i sp a p e rs t u d i e st h ew e l d i n gq u a l i t i e so fp u l s et i gs p o tw e l d i n ga n dr e m e l t i n gr e p a i r w e l d i n gt e c h n o l o g yo f0 5 m mc a d m i u m ( c d - 2 ) p l a t eu s i n gd i f f e r e n tw e l d i n gp r o c e s s p a r a m e t e r s ，i n c l u d i n gp u l s ec u r r e n t ，w e l d i n gt i m e ，a r cl e n g t ha n ds h i e l dg a sf l o wr a t e ，t h r o u g h w e l d i n gt e s t ，m e c h a n i c a lt e s t ，m i c r o s t r u c t u r ea n a l y s i sa n dn e u t r o nf l u xt e s t 。功e 括s tr e s u l t s s h o ww e l d i n gt i m et ps h a l lb er e d u c e dw h e np u l s ec u r r e n ti pi sh i g h e r ，w e l d i n gt i m et ps h a l l b ei n c r e a s e dw h e np u l s ec u r r e n ti pi sl o w e r t h et u n g s t i ce l e c t r o d en e c k i ns h a l lb e 5 m m 6 m m a n da r g o nf l o wr a t es h a l lb e3 4 l m i n w i t ht h ei n c r e a s eo ft h ep u l s ec u r r e n ta n d w e l d i n gt i m e ，t h es h e a r i n gr e s i s t a n tf o r c ea n dw e l d i n gs p o td i a m e t e rd 2w i l la l s oi n c r e a s e t l l et o r s i o nf o r mo ff r a c t u r ei n d i c a t e st h ef o r c et h ew e l d i n gj o i n tr e c e i v e si sp u l l c u t c o m p o u n ds t r e n g t h 1 1 l ef r a c t u r ea n a l y s i ss h o w st h em o r p h o l o g yo ft h ef r a c t u r ei sd i m p l e s + q u a s i c l e a v a g em i x e df r a c t u r e a n dt h ef r a c t u r el o c a t i o ni si nt h eh e a t a f f e c t e dz o n e n l eg r a i n m i c r o - s t r u c t u r eo f0 5 m mc a d m i u m ( c d - 2 ) b a s ep l a t ep r e s e n t sh e x a g o n a ls h a p e ，w h i c h c o n f o r m st ot h ef a c tt h a tc a d m i u ms h a l lb eh e x a g o n a ll a t t i c es t r u c t u r e 1 1 1 es t r u c t u r eo f w e l d i n gj o i n to fo 5 m mc a d m i u m ( c d 一2 ) p l a t ep r e s e n t sa p p r o x i m a t ec o l u m n a t ec r y s t a lg r a i n o r g a n i z a t i o n t h ei n c r e a s eo ft h ep u l s ec u r r e n ta n dw e l d i n gt i m ew i l lm a k ec r y s t a lg r a i ns i z e i n c r e a s e a n dc a d m i u mr a t i ov a l u er e dw i l li n c r e a s ea l o n gw i t ht h er e d u c t i o no fc r y s t a lg r a i n s i z e s o1 0 w e rc u r r e n ta n ds h o r tw e l d i n gt i m es h a l lb es e l e c t e d ，n l ef o l l o w i n gw e l d i n gp r o c e s s p a r a m e t e r sa r er e c o m m e n d e d ：p u l s ec u r r e n ti p = 8 a ，w e l dt i m et 2 = 3 s ，t u n g s t i ce l e c t r o d e n e c k - i n5 m m ，a r g o nf l o wr a t e3 5 l m i n t h et e s tr e s u l t ss h o wt h ew e l d i n gp r o c e s sp a r a m e t e ru s e di nt h es p o tw e l d i n gc a na l s ob e a p p l i e dt or e m e l t i n gr e p a i rw e l d i n g t h em i c r o s t r u c t u r eo fw e l ds e a mi n d i c a t e sc r y s t a lg r a i n g r o w sc o a r s e r b u tw h i c hi sf m e rt h a ns p o tw e l d i n g t h ea n a l y s i sc o n f i r m st h ei n c r e a s eo f n u c l e a t i o nr a t ea n dt h es l o w e ro fc r y s t a lg r a i ng r o w t hv e l o c i t ya r et h em a i nr e a s o no ft h i s p h e n o m e n o n k e y w o r d s - c a d m i u mp l a t e ；p u l s e dt i gs p o tw e l d i n g ；m i e r o s t r u e t u r e ；t e n s i l e ；n e u t r o n f l u x i l 大连交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解太连塞通太堂有关保护知识产权及保 留、使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的 知识产权单位属太蓬交通太堂，本人保证毕业离校后，发表或使用 论文工作成果时署名单位仍然为太整塞通太堂。学校有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件及其电子文档，允许论文被查 阅和借阅。 本人授权太整銮通太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入 中国科学技术信息研究所中国学位论文全文数据库等相关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论 、 又。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 学位论文作者签名：耘磊暂 日期：。口。a 年厂月罗日 导师签名：龆一 日期： ) 口口g 年石月尹日 学位论文作者毕业后去向： 六受茚惦妒办曲滔疆托硷石彳密确 工作单位：大连席矽您镌狂橇骚研需确电话：1 5 , - 争办扩卅 通讯地址： ，彭口工艿拆角压柄币敏j ；略 邮编：，? 多味汐 电子信箱：“口， 矛c 知罗，秒毋、踟朋 7 大连交通大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢及参考 文献的地方外，论文中不包含他人或集体已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得太整塞通太堂或其他教育机构的学位或证书而 使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在 论文中作了明确的说明并表示谢意。 本人完全意识到本声明的法律效力，申请学位论文与资料若有不 实之处，由本人承担一切相关责任。 学位论文作者签名：钒暑智 日期：川年矿月罗日 绪论 绪论 1 本课题研究的目的及意义 众所周知辐射对人体的危害及防护问题，是现代工业生产中一个新的重要课题，也是 安全工程中的重要组成部分。作为辐射的一种，核辐射对人体及环境的伤害尤为严重。随 着核电事业的发展，世界各国对核电设备的制造技术都提出了严格要求，以确保核电站运 行的安全性及可靠性。核电站已使用过的核燃料称之为乏燃料( 废燃料) ，其辐射性很强。 若是将核电站乏燃料堆放在一起，其相互释放中子会引起连锁核裂变反应，其辐射强度将 无法估量。对于核电站乏燃料的处理是防止核辐射的关键问题。乏燃料贮存格架就是核电 站核燃料装卸贮存系统( p m c 系统) 中与安全有关的重要设备。其工作原理就是利用一种 能够吸收中子的材料将大部分中子吸收而避免引起裂变反应。镉作为良好的中子吸收材料 而被应用于乏燃料贮存格架的制造中。目前我国自主研制乏燃料贮存格架的能力对比于像 法国这样核电事业开发较早的国家而言技术水平较低，所生产的贮存格架产品大部分靠引 进法国技术。但我国现在已由大连宝原核设备有限公司完成了乏燃料贮存格架镉套管样机 的研制，为乏燃料贮存格架设各国产化打下了良好的基础，其首批产品已成功应用于秦山 核电站二期工程( 2 x 6 0 0 m w 核电站) 及大亚湾二期工程，取得巨大的社会效益与经济效 益。使我国成为继法国之后第二个可以自行制造镉套管乏燃料贮存格架的国家。在研制过 程中镉薄板的点焊和重熔补焊技术成为了其中的技术难题之一。虽然大连宝原核设备有限 公司已通过了工艺试验，但仍然存在焊接工艺参数不易调节，操作困难的难题。并且在焊 接机理方面还有待于进一步研究。基于上述问题，本课题针对乏燃料贮存格架0 5 m m c d - 2 镉板脉冲t i g 点焊及重熔补焊工艺进行研究，并初探薄镉板脉冲1 1 g 点焊机理。 2 各国在放射性废物管理方面所取得的进展 2 1 放射性废物管理概况 乏燃料的处理方式由于经济、政治和社会等原因，不同国家的处理方式不同，归纳起 来有4 种：( 1 ) 冷却短时期后进行后处理，回收利用铀，采取这种方式的有法国、英国、苏 联、日本、印度和联邦德国；( 2 ) 中间贮存几十年后直接处置，采取这种方式的有加拿大、 瑞典和瑞士等国：( 3 ) 先贮存起来，后处理还是直接处置待决策，采取这种方式的代表是美 国；( 4 ) 本国不考虑处理，乏燃料运往卖主国处理，采取这种方式的国家和地区很多。 大连交通大学工学硕士学位论文 2 2 法、日、德等国管理方面发展现状 法国在1 9 9 8 年，在从法国电力公司( e d f ) 的比热伊核电站运出的乏燃料货包受到表面 污染后，几个国家的审批部门禁止运输乏燃料。瑞士于1 9 9 9 年中期取消了禁令，此后，将 乏燃料运往法国阿格厂的运输己进行了1 0 次。 法国的放射性废物管理机构a n d r a 目前仍在进行有关在埃斯特场地( 于19 9 8 年选定) 建造和运行地下研究实验室的工作。挖掘和维护工作己于2 0 0 0 年2 月1 日开始进行。 第一批玻璃固化废物己于2 0 0 0 年4 月5 日从高杰马公司的阿格厂运抵比利时的代瑟 尔。并在2 0 0 1 年春季以前再进行2 次从法国到比利时的跨境运输。 德国政府己经决定在以后2 5 年内逐步淘汰核能，并将有关戈莱本盐丘的研究推迟3 1 0 年进行。因此除了4 座己有的乏燃料中间贮存设施( 阿豪斯、戈莱本、分别位g r e n w 2 i l d 和 奥布里希海姆附近的乃儿) 外，德国还需要1 6 座类似设施。1 2 份申请仍在审理中，这些申 请涉及林根、布罗克多夫、卜威悉河、施塔德、格龙德、克吕梅尔、布龙斯比特尔、比布 利斯、内卡韦斯特海姆和菲利吾斯堡、格拉芬莱菌河费尔德和伊萨尔。在1 9 9 9 年获得建造 许可证后，卡尔斯鲁厄玻璃固化设施的建造正在按计划进行。预计该设施将于2 0 0 4 年投入 使用。 日本政府己通过核废物法案，并提出最终处置高放废物的框架( 己提交给上院) 。由太 平洋核运输有限公司( p t c r l ) 专门建造的“太平洋天鹅 号己完成其第5 次将玻璃固化废物 从法国运回日本的任务。这艘携带了4 个屏蔽容器( 有1 0 4 个装满了由乏燃料后处理产生的 残留物的小罐) 的船舶于1 9 9 9 年1 2 月从法国的瑟堡港出发，3 个月后到达日本北部港口陆 奥女川。这5 次运输将总共2 7 2 个小罐运到了日本的贮存中心。 1 9 9 9 年1 2 月，意大利政府概括论述了其核退役和废物管理计划，确定了3 个主要目 标：在未来1 0 年内将对所有的现场放射性废物进行处理和整备，随后将其运往国家放射性 废物最终处置库。在未来1 0 年内完成国家中、低放废物最终处置库的选址和建造工作。最 终处置库的场地应适合于对长寿命的中、低放废物、乏燃料和以前对乏燃料进行后处理产 生的残余物等废物进行中间贮存。在未来2 0 年内完成旨在将最终处置库场地变为绿地的核 电站退役工作。预计完成该计划将耗资约3 0 亿美元。 芬兰可能成为世界上第一个实际开始建造地下高放废物0 - t l w ) 最终处置库的国家。预 计芬兰政府将把e u r o j o k i 作为对由洛维萨和奥尔基洛托核电站产生的乏燃料的理想处置场 址，并将于2 0 1 0 年之前在那里开始建造最终处置库。居住在e u r o j o k i 地区的芬兰居民非常 2 绪论 支持这个项1 三i ( 7 8 的人赞同) ，下一步是需要芬兰政府原则性决议。预计该场地将在2 0 2 0 年为试运行作好准备。同时，f o r t u m 集团将第二次在洛维萨扩建其贮存池。 2 3 加拿大、瑞士等国管理方面发展现状 加拿大原子能管理委员会( a z c b ) 于1 9 9 9 年1 1 月批准在乔克里弗实验室建造模块式地 面贮存( m a g s ) 系统，并于2 0 0 0 年1 月开始实施这个耗资3 0 0 万加元的项目。这套系统将 包括一台可将废物总体积减少到原来二十分之一的超级压缩机。低放废物将被分类、压实 并封装在金属容器中。将建造1 0 座贮存用构筑物，每座构筑物能把加拿大各地产生的低放 废物贮存2 年。己经完成对液体废物处理系统进行改进的第一阶段任务，该系统己于2 0 0 0 年3 月投入使用。这套系统包括一座新的液体废物蒸发器。 a e c b 已批准安大略电力生产集团( o p g ) 在其所属的布鲁斯核电站建造乏燃料干法贮 存设施。o p g 须另外申请运营该设施。 加拿大将清除历史遗留下来的由以前的铀精炼和转化设施产生的约1 0 0 万立方米低放 废物，并将其分别贮存在3 个长期贮存设施中。这些贮存设施分别位于克拉林顿、h o p e t o w n s h i p 和霍普港。它们的设计寿命将达到5 0 0 年，耗资2 3 亿加元。整个项目的完成将 耗时1 0 年。 瑞士政府将向有利害关系的群体就修订后的原子能法征求意见，其中包括在开始实施 放射性废物处置计划之前，向公众征求意见。位于维伦林根的国家中间贮存设施z w i l a g 于2 0 0 0 年1 月1 日投入使用。它己经6 次接收了从莱布施塔特核电站运来的乏燃料。 z w i l a g 己获得了高温等离子体炉运行许可证。该等离子体炉将把许多中、低放废物转变 为类似玻璃的稳定物质，以便进行永久处置。该设施还接收由阿格厂对瑞士的乏燃料进行 后处理所产生的高放废物。 z w i l a g 理事会己批准在维伦林根开始建造另外的贮存用构筑物。该设施将对由于推 迟在韦林贝格建造最终处置库而受到损失的核运营者提供补偿，并将在2 0 0 0 年底之前开始 建造。 2 4 美国管理方面发展现状 虽然受到了来自政坛的阻力，但美国仍在继续进行将尤卡山作为高放废物最终处置库 的研究。各电力公司仍然对参议院对要求三分之二以上的大多数同意才能通过的处理法案 的行为表示不满，9 9 名参议员竟以6 4 票对3 5 票的表决结果通过了否决。 大连交通大学工学硕十学位论文 有关尤卡山环境效应评估的公众听证会于2 0 0 0 年2 月2 8 日结束。由能源部长决定是 否在2 0 0 1 年推荐该场址。同时，高放废物设施仍然十分稀少，政府和工业界正在进行旨在 增加乏燃料的中间贮存设施的工作。一个由8 家美国电力公司组成的私有燃料贮存( p f s ) 己获得美国核管会的批准，在犹他州建造乏燃料贮存设施，将其作为在能将乏燃料运往尤 卡山之前的临时措施。 由于环保方面的反对意见，管理部门己放弃了在怀俄明州建造焚烧工厂的项目。英国 核燃料有限公司0 3 n f l ) 己获得一份合同，对爱达荷国家工程与环境实验室产生的废物进行 压缩和焚烧。 a t g 公司己获准在其华盛顿的里士满基地内建造和运营美国首座商业性混合废物处 理设施。这将使a t g 公司能够处理由商业和政府产生的含有危险的化学污染物的低放废 物。 2 5 我国放射性废物管理方针 近几年来，我国放射性废物管理方针政策的研究工作，在核工业部科技委、安防局和 科技司的领导与支持下取得了明显的进展。例如放射性废物管理在核能发展中的作用和地 位的确定、管理目标和宏观控制手段的研究、过去核工业废物管理经验教训的总结并用之 于改进核电站废物管理、放射性废物管理决策的科学化民主化问题的研讨、立法和管理体 制问题的探索、以及放射性废物分类、废气和废液处理、废液贮存、固体废物管理、放射 性废物处置、高放玻璃固化体和乏燃料中间贮存、放射性废物和乏燃料运输、废石和尾砂 管理、核设施退役和去污、极低放废物管理、补救活动、城市放射性废物管理等一系列具 体政策的研究，有的已经取得很大成绩，有的正在起步，有的将要列人研究计划中。政策 研究的特点是需要集合各方面的专家和业务管理人员进行专题或综合论证和集体研讨。当 前根据核工业三废治理已经走过和尚未走完的历程的客观分析，当前核工业放射性废物管 理的紧迫任务是： ( 1 ) 完成高放和中放废液固化； ( 2 ) 改善固体废物管理； ( 3 ) 实现中低放废物处置； ( 3 ) 解决核设施退役中面临的问题【3 j 。 另外，俄罗斯、瑞典、捷克共和国、韩国等拥有核工业的国家也纷纷投入人力、物力 研究开发核废物的有效的解决办法。 4 绪论 3 乏燃料贮存格架设备的发展 3 1 乏燃料贮存格架概述 乏燃料贮存格架( 以下简称贮存格架) 是燃料操作和贮存系统( p m c 系统) 中与安全有关 的重要设备。它们设置在燃料厂房的乏燃料贮存水池中，主要功能为贮存反应堆换料时卸 出的乏燃料组件。而配有为贮存小室特别设计的支架，还可以用于存放旧控制棒组件和可 燃毒物棒组件。入堆前的新燃料组件也可以在这些贮存格架中临时贮存。贮存格架根据燃 料组件贮存栅距的大小，可分为密集型贮存格架和疏松型贮存格架两种。密集型贮存格架 贮存小室的四周一般都配有中子毒物材料，从而使贮存栅距大大减小，贮存栅距约为 2 8 0 r a m ，单位面积贮存的燃料组件数显著增加。疏松型贮存格架则无中子毒物材料，贮存 栅距约为5 3 5 m m 。 3 2 设计标准和规范 乏燃料贮存格架设计主要依据的标准规范是h a d l0 2 15 “核电厂燃料装卸和贮存系 统 及r c c - p 第2 3 1 节“燃料装卸与贮存系统 。其主要设计原则可以归纳为以下四个 方面的要求： ( 1 ) 防止意外临界； ( 2 ) 防止操作人员的过量照射； ( 3 ) 防止燃料组件过热； ( 4 ) 防止因燃料元件包壳破坏而导致放射性物质不可接受的释放。 根据以上四项原则和上述标准、规范中的其它原则要求，设计中制定了细化的、可操作 的设计准则，并从具体设计上去满足这些要求 5 。 3 3 设备的功能要求和等级划分 乏燃料贮存格架设计的重要依据之一是p m c 系统工艺提出的设备功能要求和设备的 等级划分。乏燃料贮存格架的功能如下： ( 1 ) 在水下贮存由堆芯卸出的乏燃料组件； ( 2 ) 在停堆换料之前及换料期间临时存放即将装入堆芯的新燃料组件； ( 3 ) 存放堆芯卸出的可燃毒物棒组件和废旧控制棒组件( 需配备专用的支撑装置) 。 乏燃料贮存格架的等级划分为： ( 1 ) 安全等级：l s 级( 与安全有关) ； 大连交通大学工学硕士学位论文 ( 2 ) 抗震类别：抗震1 i 类； ( 3 ) 质保等级：质保q 2 级。 3 4 设计接口 乏燃料贮存格架设计时要考虑的接口条件应包括三个主要方面： ( 1 ) 贮存对象燃料组件： 包括燃料组件的外形尺寸、主要结构形式和材料、活性段长度和位置、初始富集度、 燃耗以及重量等。例如秦山核电二期工程要求能贮存a f a - 2 g 和a f a 3 g 燃料组件； ( 2 ) 环境条件： 包括贮存水池的尺寸大小、池底标高、水面标高、水温、水质、放射性剂量以及燃料 厂房的环境温度和压力等； ( 3 ) 工艺布置和操作要求： 包括工艺布置和燃料操作等方面的其它要求，如安装格架所用起重设备起重量的限制 要求、操作燃料组件时操作标高的要求。 乏燃料贮存格架设计时应严格遵循核安全法规和相关标准中的强制性规定和要求。 3 5 中子毒物材料的选择 根据现有国内、外密集型贮存格架的情况，其所采用的中子毒物材料有硼铝、硼塑料、 硼不锈钢和高纯度镉等。 ( 1 ) 硼铝： 由硼弥散到铝或铝合金中而形成的一种材料。硼铝作为贮存格架的中子毒物材料可用 于乏燃料贮存水池的使用环境中，一般应包覆不锈钢材料。硼铝在水池中经过辐照后将产 生气体，使贮存小室产生肿涨变形，导致乏燃料组件不能从中抽出或插入。另外，国内对 硼铝材料虽有所研究，但只是针对乏燃料运输容器吊篮而开发的，硼铝板厚度较厚，不宜 用于贮存格架。 ( 2 ) 硼塑料： 由硼弥散到有机物中而形成的一种材料。作为镉的中子毒物材料，硼塑料一般做成板 材插在贮存小室的四周。硼塑料受辐照后易产生气体，且有长、宽方向收缩的现象，从而 使次临界安全受到一定影响。另外，这与核电厂水池中禁止使用有机材料的原则相违背。 ( 3 ) 硼不锈钢： 6 绪论 由硼和不锈钢冶炼而成的一种材料。硼不锈钢作为贮存格架的中子毒物材料一般由天 然硼或硼一1 0 与不锈钢冶炼并轧制出硼不锈钢板，然后由硼不锈钢板直接焊接成蜂窝状结 构的贮存格架，或做成矩形管从而构成贮存格架。用于制造密集型贮存格架的硼不锈钢板， 其中的硼一l o 百分含量要求比较高，而随着硼1 0 含量的提高，硼不锈钢板的脆硬性显著增 加，钢板轧制中易产生裂纹。另外，硼不锈钢板的焊接也成为一大难题，需考虑接头的脆 硬性、晶间腐蚀问题。目前国内尚不能轧制出符合贮存格架技术要求的硼不锈钢板。 ( 4 ) 高纯度镉： 由高纯度镉轧制出一定厚度的板材作为贮存格架的中子毒物材料。镉本身易与乏燃料 贮存水池中的池水发生化学反应，因此它不能单独使用，其内外表面必须包覆一定厚度的 不锈钢材料，以便构成“三明治 夹层结构的镉套管。对于“三明治 夹层结构的镉套管， 从其材料的复验到产品的验收试验都制定了详细的检验要求，特别是镉套管成型后要对其 夹层结构做氦气泄漏试验，保证它的密封性，从而保证镉板作为贮存格架中子毒物材料在 长期贮存期间不会和乏燃料贮存水池的池水发生化学反应。秦山二期乏燃料贮存格架就采 用了镉作为其中子毒物材料，这主要考虑国外( 法国) 及大亚湾核电站已有成熟的经验。另 外，国内已经能轧制出高纯度并且符合贮存格架技术要求的镉板，而且相对于其它中子毒 物材料来说，其价格是最便宜的 6 。 3 6 贮存格架主要结构形式 贮存格架的结构形式可分为两大类，一是中子毒物材料( 如硼不锈钢) 或其包覆材料作 为贮存格架的结构件，通过焊接或其它机械连接方式构成“蜂窝状的贮存结构；二是由 单独的结构件构成主体骨架，而中子毒物材料和其包覆材料( 如果有的话) 单独制成板或方 形套筒后，再插入骨架中，成为贮存燃料的贮存小室。 贮存格架在水池中的支撑结构也可分为两类，一是通过水池中的预埋件和水池进行机 械连接的形式；二是通过支腿直接座落在水池底面上，而与水池无任何机械连接的形式。 4 镉及其合金 4 1 镉的概述 镉( c d ) 在元素周期表中属于第五周期第1 i 类副族元素。原子序数为4 8 ，位于锌和汞之 间，原子量1 1 2 4 0 ，原子半径0 4 8 n m 。它是一种柔软富延展性，银白并带蓝色光泽的金属， 六方棱锥晶体，具有密排畸变晶格结构( 晶格常数a = o 2 9 7 9 3 n m ，b = 0 5 6 1 8 1 n m ) 。镉是 7 大连交通大学工学硕士学位论文 1 8 1 7 年f s t r o m e y e r 从碳酸锌的杂质中发现的。镉的生产发展缓慢，到1 9 0 0 年世界镉的 年产量仅为1 3 5 t 。自1 9 2 0 年以来，随着显法炼锌的发展和镉应用领域的扩大，使镉的产 量有了较大幅度的增长1 7 1 。 4 2 镉的赋存 镉是一种较稀有的元素，在地壳中的丰度约为o 1 加5 p p m 。在自然界中，镉的常见矿 物是辉镉矿( 含c d s ) 。镉没有单独的矿床，通常与闪锌矿共生，含量波动在0 0 1 - u 0 7 之间。在硫化锌矿物中，镉通常作为一种类质同晶杂质。因此目前决大多数金属镉是从锌 冶炼中的中间物料中回收的。含锌的铅和铜矿也含有一定量的镉。 4 3 镉的性质 4 3 1 物理性质 镉原子的电子层结构为：ls 2 2 s 2 2 p 6 3 s 2 3 p 6 3 d lo 4 s 2 4 p 6 4 d lo 5 s 2 ， 电子排列顺序为：2 、8 、1 8 、1 8 、2 ， 因此没有与电子结合的能力，在所有的化合物中几乎均呈+ 2 价，只有很少数的几种镉 的化合物中呈+ 1 价。镉有8 种天然同位素。镉蒸汽呈灰黄色，有素毒。和锌比较，镉具有 较大的蒸汽压，镉的物理性质如表0 1 所示 删。 4 3 2 化学性质 镉的化学性质接近于锌，常温下镉在潮湿的空气中缓慢氧化，而干燥的空气对它实际 上却不起什么作用，因为镉被表面形成的氧化物薄膜所覆盖。阻止了内层镉的氧化。镉的 这种化学性质广泛的应用于镀镉。镉在空气中加热形成红色火焰，氧化成棕褐色的氧化镉 尘。镉易于与卤素、磷硒，硫和碲反应生成相应的化合物。 镉的标准还原电位( c d 2 + 屹e 一c d ) 为0 4 0 2 v ( 2 5 c ) 。因此它在温热的稀盐酸和稀 硫酸中溶解缓慢。但在热的稀硝酸中却快速氧化。同时析出各种n 的氧化物。根据镉在元 素电位序的位置，可以用电场更负的金属如锌或铝从镉的溶液中置换出镉。已知镉的中间 氧化物还有c d 2 0 ，c d 3 0 5 ，c d 0 4 。镉的氧化物不溶于水，但易溶于酸及硫酸锌溶液中，并 且可被氢、碳及一氧化碳还原。用碳还原氧化镉始于6 0 0 c $ n 热时氧化镉和铁、铝、硅的 氧化物作用生成相应的铁酸盐、铝酸盐、硅酸盐。硫化镉溶于稀盐酸、稀硫酸、沸腾的稀 硝酸及三价铁盐溶液中，不溶于稀硫酸中。镉的硫酸盐是白色结晶粉末，易溶于水而不溶 于酒精 1 8 。 绪论 表o 1 镉的物理性质 t a b l e 0 1 p h y s i c a lp r o p e r t yo f c a d m i u m 性质数值 熔点， 3 2 1 1 沸点， 7 6 7 熔化潜热，k j m o l 6 2 汽化潜热，k l m o l 9 9 7 液体镉的摩尔热容c a l ( m o l k ) 7 1 3 线膨胀系数( 2 0 ) 1 0 m ( o n ) 3 1 3 电阻率，岬o n ( )7 2 7 ( 2 2 ) 、3 4 1 ( 4 0 0 ) 3 4 8 ( 6 0 0 ) 、3 5 8 ( 7 0 0 ) 电导率，i a c s 2 5 密度，k g m 3 ( 。c )8 6 4 2 ( 2 6 ) 、8 0 2 0 ( 3 3 0 液态) 7 9 3 0 ( 4 0 0 ) 、7 7 2 0 ( 6 0 0 ) 熔化时体积膨胀， 4 7 4 热导率，w ( m k ) 9 8 ( 0 ) 、9 5 ( 10 0 ) 、8 9 ( 3 0 0 ) 表面张力m n m ( c )5 6 4 ( 3 3 0 ) 、5 9 8 ( 4 2 0 ) 、6 11 ( 4 5 0 ) 摩尔磁化率，伽1 3 m o l 1 9 8 x 1 0 r 6 布氏硬度，k g f m m 2 1 6 - 2 3 抗拉强度m p a 7 l 伸长率， 5 0 弹性模量g p a 4 9 9 剪切弹性模量g p a 1 9 2 泊松比 o 3 3 热中子俘获截面( 2 2 0 0 m s ) ，m 2 a l m ( 2 4 5 0 - 士5 0 ) x1 0 4 9 大连交通大学工学硕士学位论文 5 镉( c ：1 - 2 ) 薄板的焊接 5 1 镉( c d - 2 ) 薄板的焊接方法的选择 首先考虑固相焊焊接方法中的电阻焊：电阻焊方法主要有4 种，即点焊、缝焊、凸焊、 对焊。其中电阻点焊是把被焊工件压紧于两电极之间，并通电流，利用电流流经工件接触 面及邻近区域产生的电阻热将其加热到熔化或者塑性状态，使之形成金属结合的一种方法。 电阻点焊焊接规范参数的选择与零件材料的性能，特别是与热物理性能有关，如导电性、 导热性、导温系数、高温强度、熔点、塑性温度范围及变形抗力、硬度、对热循环的敏感 性及加热过程中性能变化特点等，其中影响最大的是导电、导热性及高温强度。通常是参 考材料的导电性来选择电流强度，按导热性与高温强度来选择脉冲电流脉冲持续时间及电 极压力。而对于镉薄板而言，本身材质特软，在电阻点焊过程中其接触电阻趋于零不易形 成电阻热，导致脉冲电流脉冲持续时间及电极压力难于调节。故电阻点焊不适于镉板的焊 接。 其次考虑钎焊工艺：钎焊是利用熔点比母材低的金属作为钎料，加热后，钎料熔化， 焊件不熔化，利用液态钎料润湿母材，填充接头间隙并与母材相互扩散，将焊件牢固的连 接在一起的焊接工艺。钎料应具有合适的熔点。它的熔点至少应比母材的熔点低几十摄氏 度。二者熔点过于接近，会使钎焊过程不易控制，甚至导致母材晶粒长大、过烧以及局部 熔化。且钎料还要保证一定的润湿性，能充分填满钎缝间隙。对于镉板的钎焊而言最大的 难点在于找到一种合适的钎料。钎料中不能含有活化元素( 即经核辐射后易被激活的元素， 如钴元素) ，即使花费人力物力找到一种合适的钎料，由于镉的焊接应用领域并不是很广， 钎料制造厂商不能够批量生产就会使得其造价较高，而对于企业而言镉板的就比较昂贵， 再配以价格高的钎料，其制造成本太高。另外在钎焊过程中对于镉板的点焊，操作起来较 为困难，并且其强度难于保证。故不选择钎焊作为镉板的焊接方法。 最后只能在熔化焊当中来选择一种合适的焊接方法来满足镉板的焊接。 5 2 薄板熔化焊方法的发展现状 5 2 1 薄板熔化焊存在的问题 大量的薄板焊接试验证明：烧穿是薄板电弧焊时的主要问题之一，其产生与熔池受力 状态密切相关。图o 1 是平焊时熔池烧穿前瞬间的受力情况。 l o 绪论 逝f 表 f 重 图0 1 平焊时熔池金属的受力情况 f i g o 1 t h es 惦so f f l a tp o s i t i o nw e l d i n gm e t a lm e l t i n gb a t h 熔池主要承受如下几种力： ( 1 ) 熔融金属的重力f 重，决定于熔池金属量的多少； ( 2 ) 电弧吹力f 电弧，主要由电流大小决定； ( 3 ) 熔池金属表面张力f 表，除与金属种类有关外，还与熔池表面状态有关。氩弧焊 时熔池金属受到惰性气体的保护，不易氧化，再加上保护气流的冷却作用降低了 熔池表面的温度，都将使f 表提高； ( 4 ) 固液体金属的附着力和液体金属的内聚力都是保持熔池的内力，这种相对较小， 对烧穿的影响可忽略不计 2 2 。 由此可见，重力和电弧吹力是促使熔池下塌或使之烧穿的力，而表面张力则是阻止熔 池下塌或烧穿的力。如果f 重、f 电弧、f 摹e 者的合力大于焊缝金属的强度，焊缝金属就会 被拉断而出现烧穿。为了使薄件焊缝不致烧穿，应提高熔池的表面张力f 表，降低其它力 的作用，即减少由于热量积累而造成熔池金属量的增大，尽量减小脉冲电流和热输入。 薄板焊接的另一主要问题是焊接变形。焊接过程总是一个局部加热和冷却的过程，在 焊接热作用下，材料受到不均匀的加热和冷却，会产生不均匀的应力状态，造成不同程度 的应力变形及应变。而薄板由于其自身拘束度小，焊接时变形较大，其中以波浪变形最为 严重，且很难矫正瞄 。特别是对a 1 、m g 、不锈钢等一些热膨胀系数较大的材料，变形尤 为严重。因此，对于超薄材料的焊接，如何防止过烧氧化、烧穿，并获得美观的焊缝是首 先要解决的问题。 大连交通大学工学硕十学位论文 解决薄板焊接烧穿变形的技术措施是： ( 1 ) 严格控制焊接线能量及工艺参数，尤其是正确选择脉冲电流并保持其相对稳定； ( 2 ) 控制焊接电弧燃烧的稳定性，防止电弧飘移； ( 3 ) 工装夹具必须保证接缝两侧的夹紧力均匀，间隙、板边公差限制在允许范围内网。 上述措施的核心是热输入的大小问题，即若要减小并避免焊件的变形及过热烧穿，最 应注意的是严格控制线能量，即在完成焊缝焊接的前提下，尽量减少焊缝的热输入，从而 减小焊接热影响区，减小焊接变形及其对接头性能的恶劣影响。另外，材料焊接性的许多 方面也要求控制热输入，如某些奥氏体不锈钢焊接时，焊缝有热裂倾向及产生近缝区的液 化裂纹，这都需要采用小的线能量。如前所述，要想避免薄板焊接时的变形及过热烧穿， 首先要严格控制线能量。线能量的确定主要取决于过热区的脆化和冷裂两个因素，它的大 小直接影响焊接质量。线能量大，熔池金属易过热，降低了焊缝的冷却速度，使热影响区 过宽，粗晶区扩大，晶粒粗大，易产生过热组织，导致焊接接头的韧性急剧下降，易脆化。 线能量过小，使焊接接头的冷却速度增加，淬硬倾向增大，易产生淬硬组织，促使形成冷 裂纹。线能量对低碳钢焊接接头性能影响不大，因此，对低碳钢手弧焊，一般不规定线能 量。对于低合金钢和不锈钢等钢种，热输入太大时，接头性能可能不合格；热输入太小时， 可能产生未焊透等缺陷。因此，焊接时一定要有合适的线能量，允许的线能量范围越宽， 越便于焊接操作嘶】。 对于薄板焊接，由于其自身拘束度小，焊接时易变形，热量稍大就会使其烧穿，所以 无论哪种材料的薄件焊接，都应严格控制线能量。 5 2 2 薄板焊接控制线能量的焊接方法 为了有效地控制薄板焊接线能量，首先要正确选择焊接方法。各种焊接方法对焊缝及 热影响区的金相组织及力学性能影响程度不同，因此，会不同程度影响产品的使用性能 2 刚。 例如，焊条电弧焊焊接的工件厚度一般在1 5m m 以上；厚1r a i n 以下的薄板，不宜采 用焊条电弧焊。 薄板焊接应采用能较好控制焊接线能量的焊接方法，主要有电子束焊、激光焊、等离 子弧焊、微束等离子弧焊和n g 焊等。 5 2 3 高能密度焊 电子束焊和激光焊均属于高能密度焊。电子束焊是利用汇聚的高速电子流轰击工件接 缝处所产生的热能使金属熔合的一种焊接方法，其主要特点是功率密度高，控制精确、快 1 2 绪论 速；激光焊是7 0 年代发展起来的焊接新技术，它以高能量密度的激光作为热源，熔化金属 形成焊接接头。 无论是电子束焊还是激光焊，它们的功率密度可高达1 0 5 , 1 0 9 w c m 2 ，加热集中，效 率高，完成单位长度、单位厚度工件焊接所