事故容错燃料包壳候选材料的研究现状及展望

• 作者: 刘俊凯 张新虎 恽迪
• 来源期刊: 材料导报
• 学科: 工学
• 关键词: 事故容错燃料(ATF) 碳化硅 铁铬铝合金 钼合金
• 年，卷（期）: 2018,（11）
• 所属期刊栏目: 材料与可持续发展(一)——面向洁净能源的先进材料
• 页码范围: 1757-1778
• 页数: 22页
• 分类号: TL352
• 字数: 17763字
• 语种: 中文
• DOI: 10.11896/j.issn.1005-023X.2018.11.001

摘要

2011年福岛核电站事故中,反应堆堆芯燃料中的锆合金包壳在事故工况下与高温水蒸汽发生剧烈氧化反应继而产生大量的氢气和热量,最终导致反应堆堆芯熔化和氢气爆炸,对社会和环境造成极大负面影响.自此之后,国内外纷纷展开对事故容错燃料的研究开发.相较于传统的 UO2-Zr合金燃料体系,事故容错燃料能够在反应堆正常运行工况下维持或提高燃料性能,并在事故发生后相当长的一段时间内维持堆芯完整性,提供足够的时间裕量来采取事故应对措施.反应堆堆芯环境非常极端,包壳长期处于高温高压腐蚀介质中,同时还受到中子辐照的影响,因此新型包壳材料需要较好的耐腐蚀性和辐照稳定性.经不同研究者的研究评估,目前能够替代 Zr 合金的事故容错燃料包壳材料可分为陶瓷材料和金属材料两类:陶瓷材料主要以 SiC/SiC复合材料为代表;金属材料主要有以 FeCrAl 为代表的 Fe 基合金和以 Mo 为代表的难熔金属及其合金.上述三种替代Zr包壳的材料各有其利弊,均未达到工程应用水平,并且都存在待解决的关键性问题.其中,FeCrAl 合金的研发进展最快,目前在热学性能、力学性能、抗腐蚀性能、抗辐照性能等方面表现较好,但在工业加工和焊接等方面仍有待进一步改善.就 SiC/SiC复合材料而言,由于 SiC自身的高脆性而导致力学强度不足,不同的研究者提出了不同的结构设计思路试图降低包壳管失效概率,但包壳最终的结构设计仍未确定,而辐照引起的热导率急剧降低及连接密封和加工制造等方面还在不断研究中.Mo及 Mo合金的力学性能和抗辐照性能较好,但自身抗腐蚀性较差,解决思路主要集中在提高钼纯度、调整合金的元素成分、进行表面涂层等方面.目前,对后两种材料包壳管的加工能力均未达到薄壁长管的工业制造水平.对于这几种候选包壳材料,需要建立属性数据库和一套完善的标准来衡量材料的质量.此外,还需开发相应的程序来评估包壳在堆内的行为.本文主要综述了 SiC/SiC复合材料、FeCrAl合金、Mo及 Mo合金三种候选包壳材料的研究进展,包括候选包壳材料的物理性质、耐腐蚀性能、力学性能、抗辐照性能、芯块-包壳力学与化学相互作用、在事故工况下的行为和工程应用等,综合分析了事故容错燃料包壳材料当前的研究现状,指出了各事故容错燃料包壳未来需集中解决的关键性问题.

作者信息

序号	姓名	单位	发文数	被引次数	H指数	G指数
1	恽迪	西安交通大学能源与动力工程学院	3	12	1.0	3.0
5	刘俊凯	西安交通大学能源与动力工程学院	1	12	1.0	1.0
6	张新虎	西安交通大学能源与动力工程学院	1	12	1.0	1.0