[發明專利]一種核反應堆燃料組件用鋯合金材料

有效

• 申請號: 201110147666.6
• 申請日: 2011-06-02
• 公開（公告）號: CN102220517A
• 公開（公告）日: 2011-10-19
• 發明（設計）人: 張晏瑋;王榮山;翁立奎;王錦紅;耿建橋
• 申請（專利權）人: 蘇州熱工研究院有限公司;中國廣東核電集團有限公司
• 主分類號: C22C16/00
• 分類號: C22C16/00;G21C3/07
• 代理公司: 蘇州創元專利商標事務所有限公司 32103
• 代理人: 孫仿衛;汪青

技術領域

本發明涉及鋯合金材料領域，尤其是涉及一種核壓水反應堆用鋯合金材料。

背景技術

鋯的熱中子吸收截面非常小，并具有良好的耐高溫水腐蝕性能和力學性能，因此在水冷核反應堆中鋯合金被廣泛用作燃料棒的包殼材料和核反應堆芯的結構元件。隨著核動力反應堆技術朝著提高燃料燃耗和降低燃料循環成本、提高反應堆熱效率、提高安全可靠性的方向發展，對關鍵核心部件燃料元件包殼材料鋯合金的抗腐蝕性能、吸氫性能、力學性能及輻照尺寸穩定性等性能提出了更高的要求。燃料元件在服役條件（輻照、高溫、高壓及復雜的應力）下，要發生蠕變和疲勞。蠕變性能是鋯合金在水冷動力堆中工作時要考慮的重要問題之一，國內外對鋯合金的蠕變進行了大量的研究。目前最成熟、應用最廣泛的是被稱之為Zr-2、Zr-4合金的鋯合金，但隨著核燃料組件向長壽期、高燃耗方向的發展，要求作為反應堆結構材料的鋯合金必須具有更好的耐蝕、抗蠕變、抗輻射生長等綜合性能，在這一點上Zr-2、Zr-4合金已不能滿足要求。

近二十年來，壓水堆用鋯合金的研究趨勢是對已有材料的不斷改進和進行高性能新鋯合金的研究，總體思路是在Zr-Nb系和Zr-Sn-Nb系合金的基礎上進行合金成分含量的調整以及添加其它合金元素，或者二者同時進行以達到提高合金整體性能的目的。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是提供一種核反應堆燃料組件用鋯合金材料，其綜合性能特別是抗腐蝕性能優異，適用作核壓水反應堆結構材料。

為解決以上技術問題，本發明采用如下技術方案：

一種核反應堆燃料組件用鋯合金材料，以所述鋯合金材料的總重量為基準，所述鋯合金材料由如下組分組成：Nb?0.8%～1.2%、Cu?0.01%～0.1%、S?50ppm～200ppm、O?0.06%～0.14%、C≤100ppm、N≤80ppm以及Zr余量。

根據本發明的一個優選方面，所述鋯合金材料的組成為：Nb?0.9%～1.1%、Cu?0.01%～0.02%、S?100ppm～200ppm、O?0.06%～0.14%、C≤100ppm、N≤80ppm以及Zr余量。

根據本發明的另一優選方面，所述鋯合金材料的組成為：Nb?0.9%～1.1%、Cu?0.08%～0.1%、S?50ppm～200ppm、O?0.06%～0.14%、C≤100ppm、N≤80ppm以及Zr余量。

上述合金配方中，C和N為從原料中帶來的不可避免的雜質，本領域的一般技術人員應當了解，上述合金配方中可能還包括的一些從原料中帶來的其它不可避免的雜質成分，這些雜質成分以不可避免的量存在時不會對本發明鋯合金造成不利影響。

本發明與現有技術相比具有以下優點：本發明對傳統的Zr-Nb合金進行優化設計，不僅提高了鋯合金的耐腐蝕性能，而且提高了合金的抗蠕變性能，另外，合金的綜合性能較好，滿足核壓水反應堆結構材料的要求。

具體實施方式

下面結合具體的實施例對本發明做進一步說明，但本發明不限于以下實施例：

參見表1，其中給出了根據本發明的六種典型鋯合金材料的成分組成。

表1?實施例1至6的鋯合金及對比例的組成

具有表1中組成的鋯合金材料均按照如下步驟制備得到：以中間合金的形式向核級海綿鋯中添加需要量的Nb、Cu元素，以氧化物的形式向海綿鋯中加入需要量的O、S元素。將海綿鋯壓制成一定形狀和尺寸的電極，采用真空自耗電弧爐將電極經三次真空自耗熔煉后得到鑄錠。將鑄錠鍛造成所需要形狀的坯料后，再對坯料進行淬火和固溶處理；再經一定變形量的熱加工、冷加工及中間退火后加工成板材，板材經再結晶退火處理后加工成樣品。

對本發明的6種鋯合金板材和已有Zr-1Nb鋯合金板材進行腐蝕性能試驗。腐蝕試驗在高壓釜中進行，腐蝕條件為400℃、10.3MPa去離子水蒸汽，腐蝕時間均為100天、130天、160天、190天、220天、250天、280天、310天，表2列出了本發明實施例和已有Zr-1Nb鋯合金在上述腐蝕條件下的腐蝕增重。

表2?實施例1-6鋯合金板材與Zr-1Nb合金在400℃/10.3MPa蒸汽腐蝕結果比較

從表2的數據可以看出，本發明鋯合金與現有的Zr-1Nb合金相比，在高溫蒸汽中具有優異的抗腐蝕性能。因而，本發明鋯合金可以用作核反應堆芯燃料棒的包覆層、格柵以及其它結構件材料。

實驗2蠕變實驗