我国堆芯关键结构材料研发与产业化新进展

我国堆芯关键结构材料研发与产业化新进展

1新型锆合金的研究锆作为核电站的一种结构材料广泛用于世界各国的核反应堆。它的性能直接影响核电站的安全、可靠性和经济性。然而，采用新修订后的高燃料消耗燃料组件，由于具有燃料消耗深、经济性好、运营可靠性和武器损失率低等优点，全世界各国都非常重视其开发研究，并将其应用于核反应堆。在第1代Zr-2,Zr-4合金研究的基础上,西方发达国家率先开展了改进Zr-4合金的研究,即在ASTM标准范围内将常规Zr-4合金的Sn含量取下限,Fe+Cr含量取上限,同时更严格的控制杂质含量,并通过改进加工工艺和热处理工艺参数,调整微观组织结构达到改善其耐腐蚀性能的目的。但实践证明,改进型Zr-4合金仍有局限性,如抗疖状腐蚀能力不能满足要求,吸氢、蠕变、辐照增长及抗SCC等性能无明显改善,因此必须研制新型锆合金才能满足更高燃耗(>55GWd/tU)的要求。国外对新锆合金的研究和开发十分重视。研制的新合金有美国的Zirlo合金、法国的M5合金、俄罗斯的E635合金。上述合金已完成了所有堆外冷态和堆内热态试验,结果表明其堆内外性能明显优于Zr-4合金,并进入实用化阶段。综合来讲,国外水堆用新合金的研究特点及发展趋势如下。(1)新锆合金均为Zr-Sn-Nb系合金,Nb的加入既有利于合金耐蚀性能的提高又可提高堆内的抗辐照性能。(2)新锆合金一般采用低温加工工艺路线。这是由合金的特性决定的,铌的加入使合金的α/β转变温度降低;另一方面低温加工使得合金的性能进一步改善。(3)新锆合金如E635,Zirlo,M5等已转入实际运行条件下的堆内使用性能研究,以提供更多的数据积累,完善使用数据库。(4)新合金将逐步取代Zr-4合金用于新一代水堆中作为堆芯结构材料。受到E635,Zirlo,M5等合金逐步商业化的带动,世界其它拥有核电的国家,如日本、韩国、德国、印度等,尽管与美国、法国和俄罗斯的关系密切,但他们并没有走全盘引进的道路,而是积极开发、研制自己的新一代锆合金。这主要由于核用锆合金军民两用性所决定。由此可以窥见研制、开发拥有本国独立知识产权新锆合金的重要性。目前我国新锆合金市场基本上由外国垄断,除了经济上不划算外,还极易受到国际政治气候的影响,因此在我国核电大发展的机遇下,锆合金特别是新锆合金的国产化就显得越来越重要了。2新一代锆合金的研究西北有色金属研究院与中国核动力研究设计院、宝鸡有色金属加工厂根据核电的发展,跟踪国外锆合金的研究动向,始终与世界同步进行着新一代锆合金研究工作,在改进型Zr-4合金和新锆合金的研究方面取得了一系列科研成果,为中国的核电工业发展做出了贡献。2.1其他技术调控技术通过工程化研究,系统解决了大规格铸锭(φ220mm)熔炼技术及成分的均匀化调控技术,铸锭低温开坯技术,管材低温加工技术及织构调控技术,管材的表面处理技术,精整检测技术等。我国研制的改进型Zr-4合金堆外腐蚀性能优于国外Zr-4合金(见图1)。2.2制备工艺研究随着反应堆技术的不断进步,需要开发高性能新型锆合金。以前期的研究为基础,“十五”期间我国高性能新锆合金的研究已进入中试规模研究阶段,取得了突破性进展,掌握了自主开发的NZ2和NZ8合金板材、管材和棒材的一整套的具有工艺代表性的制备技术。研究结果表明,材料的堆外性能与国际上的同类合金水平相当(见表1),下一步将开展材料工程化研究。另外,我国还试制了Zirlo合金和M5合金,基本掌握了这2种合金的合金化工艺及加工工艺,所试制加工管材已提交有关单位进行堆内辐照及辐照后的试验,并已试制出符合俄罗斯企业标准的Zr-1Nb合金板材和管材。在研究和开发过程中,试验采用了国际通用标准,进一步与国际接轨,增加了结构强度试验等一批试验项目。2.3我国锆4生产设备的引进西北有色金属研究院和宝钛集团有限公司在获得国家资金支持的基础上并自筹部分资金建设了锆铪材生产线(西北锆管有限责任公司)。以核电锆材国产化为目标,从国外引进了全套锆管材生产装备,主要包括:Pilger系列高速冷轧管机、ROTA25多通道管材超声检测设备、管材外表面抛光机等72台套,再加上国内配套的部分设备,使我国锆材整个生产线的装备水平达到了20世纪90年代国际先进水平。另外,上海高泰稀贵金属股份有限公司也建立了一条锆管材生产线。通过对引进国外设备的完善、消化和吸收创新,2条生产线形成了年产达15×103锆铬化合的基础和需要的研究3.1包壳材料的国产化“十五”期间开展的研发工作,使得我国掌握了传统锆合金和新一代锆合金从原子能级海绵锆到锆合金管材、板材和棒材的一整套的制造技术,进而使我国成为世界上少数能掌握堆芯结构材料———锆合金包壳材料生产技术的国家之一,为堆芯结构材料———锆合金包壳材料的国产化奠定了技术基础;管材生产线的进一步完善和实际生产经验的积累为锆合金管材的国产化提供了硬件技术保证。可以说核反应堆用锆合金的国产化条件已经完全具备。锆(铪)材料产业的特征是专业化程度高,资金密集,设备高度自动化,加工工艺复杂,生产工序长,同时需要强有力的持续研发,以保证加工技术的进步。从核材料大国的发展经验看,锆(铪)产业的发展趋于集约化,即从海绵锆(铪)的生产到包壳材料,以及其它堆芯结构材料(如格架用条带材、端塞用棒材)生产乃至核燃料组件的制造,都在一个公司内的高度现代化的专业生产线上来完成。就包壳材料本身而言,主导产品为高燃耗组件用新一代锆合金。根据国家发展规划,到2020年,我国核电装机容量将达(3600~4000)×103.2建立健全的生产技术要建立我国系统完备的核用锆(铪)材产业,下列技术的需求十分紧迫:(1)建设原子能级海绵锆(铪)的生产厂所需的环保友好、节能高效的生产技术;(2)建设专业的板带材生产线所需的格架用条带材的制造技术;(3)板坯、管坯的开坯技术及其相关装备设计与制造;(4)高燃耗组件用新一代锆合金的工业化生产技术及应用技术。3.3条带和格架的制造技术和在线检测需要解决的关键技术:(1)原子能级海绵锆(铪)的生产技术,特别是锆(铪)的分离技术;(2)格架用条带的制造技术,特别是织构控制技术和在线检测技术;(3)高燃耗组件用新一代锆合金的工业化生产技术。3.4工艺及工业化生产技术研究“十一五”期间,针对原子能级海绵锆(铪)生产技术主要研发内容包括:(1)锆石英碳化工艺研究;(2)氯化及提纯工艺研究;(3)熔盐精馏分离工艺研究;(4)氯化锆的镁还原工艺研究;(5)氯化铪电解工艺研究;(6)生产厂建设方案设计和实施。针对格架用条带制造技术的研发重点是:(1)铸锭开坯工艺研究;(2)热轧和冷轧工艺及织构控制研究;(3)在线监控检测技术研究;(4)生产线建设方案和实施。高燃耗组件用新一代锆合金工业化生产技术研究包括:(1)挤压工艺研究;(2)Pilger轧制工艺研究;(3)表面处理工艺研究;(4)精整工艺研究。3.5相关研究的战略目标和重要性针对原子能级海绵锆(铪)的生产技术开展研究的目标是:建立年产104加强行业监管与引导