鈾鋯合金燃料制備技術研究.pdf

1、人類正面臨著能源短缺和化石燃料使用帶來的環(huán)境壓力，核能因其具有能量密度高、不排放溫室氣體等優(yōu)點是解決能源問題的一個重要途徑。目前，核能領域正發(fā)展的聚變-裂變混合堆、快中子堆、ADS能源系統(tǒng)等新型核能系統(tǒng)擬采用金屬型核燃料，而金屬型核燃料在制備和使用過程中存在成分不均勻、輻照腫脹、與包殼材料在高溫發(fā)生反應，從而導致金屬型核燃料存在長期穩(wěn)定性問題，因此對燃料制備過程中元素擴散、界面反應及使用過程中輻照穩(wěn)定性的系統(tǒng)研究非常必要。本論文選擇鈾鋯

2、合金為研究對象，開展的研究內容和結果如下:
　　鈾鋯合金熔煉鑄造技術和組織結構研究。采用二次合金化技術真空感應熔煉制備了U-2wt.％Zr、U-4wt.％Zr、U-6wt.％Zr、U-8wt.％Zr、U-10wt.％Zr、U-12wt.％Zr和U-15wt.％Zr等鈾鋯合金，制備的公斤級U-10wt.％Zr合金鋯含量偏差小于0.5％，雜質含量低于1000μg/g。研究表明，鑄態(tài)鈾鋯合金即使Zr含量很低，也是由過飽和固溶的α-U相和

3、δ-UZr2相組成，即所有富鈾的鑄態(tài)鈾鋯合金都為雙相組織。鈾鋯合金在鑄造冷卻過程中，首先發(fā)生γ→γ1+γ2調幅分解，然后γ1相和γ2相分別發(fā)生固態(tài)反應，其中γ1相發(fā)生了γ1→α-U馬氏體相變，γ2相則先通過晶面坍塌形成ω相，然后有序化形成δ-UZr2相。TEM研究表明，α-U和δ-UZr2之間共格，位向關系為(010)[001]α∥(0110)[2110]δ。
　　多孔U-10wt.％Zr合金粉末冶金制備技術研究。U-10wt.％

4、Zr合金中的孔隙在使用過程中可以容納裂變產物，本論文采用氫化-去氫化法制備U-10wt.％Zr合金粉末，通過冷等靜壓制備坯料，真空燒結制備了不同孔隙率的多孔U-10wt.％Zr合金。氫化-去氫化法可以得到不被氧化、粒徑可控的U-10wt.％Zr合金粉末，U-10wt.％Zr合金粉末冷等靜壓坯料的密度對燒結后致密度影響不大，通過控制壓坯真空燒結的時間和溫度可以得到相對密度為70～91％的多孔鈾鋯合金。孔隙度對U-10wt.％Zr合金熱導率

5、的影響符合Loeb關系。
　　Zr-4合金包覆U-10wt.％Zr合金技術研究。采用真空熱壓擴散法和熱等靜壓法應用Zr-4合金包覆U-10wt.％Zr合金。真空熱壓擴散實驗表明，為了得到U-10wt.％Zr合金燃料與包殼材料Zr-4合金結合良好的界面，應精確控制熱壓溫度和時間，避免在界面處形成過多的UZr2金屬間化合物。α-U基體與δ-UZr2共格，UZr2在靠近Zr-4合金界面鈾元素富集，UZr2與Zr-4合金共格。熱等靜壓包覆

6、結果表明，合金元素體擴散受到各向相等壓力的抑制，激活能明顯增大，擴散速率降低，而晶界擴散受到的影響較小，鈾在Zr-4合金中擴散表現(xiàn)為晶界擇優(yōu)擴散。在U-10wt.％Zr/Zr-4合金界面生成了UZr2金屬間化合物層，在U-10wt.％Zr合金與UZr2層之間生產了純鋯層。
　　U-10wt.％Zr與Zr-4合金之間相容性研究。U-10wt.％Zr合金和Zr-4合金之間的界面擴散行為受擴散速率控制，U元素向Zr-4合金的擴散速率相對

7、較快，擴散層生長厚度與時間的關系符合拋物線規(guī)律。U-10wt.％Zr/Zr-4合金體系在800℃～1100℃溫區(qū)的互擴散系數(shù)為1×10-15～1×10-13 m2/s，在鋯含量小于40 at.％時擴散系數(shù)相對較小。在380℃～1100℃溫度區(qū)間，U-10wt.％Zr/Zr-4合金界面擴散層生長行為分為三個區(qū)間，分別受不同的擴散生長機制控制。在380℃～600℃溫區(qū)，受到鈾元素在δ-UZr2相內擴散的控制，生長速率常數(shù)為9.85×104

8、m2/s，激活能為340.93 kJ/mol。在650℃～800℃溫區(qū)，U原子在α-Zr中以置換機制擴散，擴散層生長受此機制控制，生長速率常數(shù)為4.10×10-4 m2/s，激活能為206.33 kJ/mol;在900℃～1100℃溫區(qū)，元素在γ(U，Zr)固溶體中以空位機制擴散，生長速率常數(shù)為3.43×10-6 m2/s，激活能為158.50 kJ/mol。實驗結果表明，在溫度小于500℃時U-10wt.％Zr合金燃料與Zr-4合金之