[發明專利]核反應堆燃料元件包殼材料用Fe-Cr-Al合金及其制備方法

有效

• 申請號: 201910509523.1
• 申請日: 2019-06-13
• 公開（公告）號: CN110195191B
• 公開（公告）日: 2021-05-07
• 發明（設計）人: 姚美意;錢月;孫蓉蓉;張文懷;瞿忱;張金龍;楊健;仇云龍
• 申請（專利權）人: 上海大學;中興能源裝備有限公司
• 主分類號: C22C38/26
• 分類號: C22C38/26;C22C38/22;C22C38/06;C22C33/04;C21D8/02;C21D1/26;G21C3/07
• 代理公司: 上海上大專利事務所(普通合伙) 31205
• 代理人: 顧勇華

本發明公開了一種核反應堆燃料元件包殼材料用Fe?Cr?Al合金及其制備方法。該Fe?Cr?Al合金的化學組成以重量百分比計為：Cr:10～26％；Al:3～10％；Mo:1～5.5％；Nb:0.01～5.5％；余量為Fe和雜質。本發明Fe?Cr?Al合金中添加Nb元素，Fe?Cr?Al合金在模擬核反應堆常規腐蝕環境下表現出優異的耐腐蝕性能，同時在模擬LOCA工況高溫蒸汽氧化環境下也表現出優異的抗氧化性能，其耐腐蝕/抗氧化性能明顯優于Zr?1Nb合金，具有比鋯合金優異的抗事故容錯能力，在核電站壓水堆中用作核燃料元件包殼材料、核燃料元件復合包殼材料以及定位格架條帶等堆芯結構材料。

技術領域

本發明涉及一種Fe-Cr-Al合金及其制備方法，特別是一種耐高溫蒸汽氧化Fe-Cr-Al合金及其制備方法，應用于核燃料元件材料技術領域。

背景技術

鋯合金作為傳統核燃料元件包殼材料，表現出一系列優異的性能。然而2011年日本福島發生失水事故，在高溫環境下Zr合金包殼發生腫脹和破裂，Zr和高溫水蒸汽劇烈反應，放出大量的熱和爆炸性氣體H₂，導致反應堆事故的發生。Zr合金包殼材料在大于800℃的高溫環境下暴露出抗氧化性能和力學性能等方面的不足，由此提出發展事故容錯燃料(AccidentTolerant Fuel，ATF)以提高反應堆安全性的解決方案。Fe-Cr-Al合金因具有適中的熱中子吸收截面、與UO₂的相容性好、良好的導熱性能和抗高溫氧化性能等優點，被認為是比較有發展前景的ATF包殼材料。

Fe-Cr-Al合金作為新型核燃料包殼材料首先能夠在常規腐蝕環境中長期服役，所以首先需要滿足在常規服役工況下的耐腐蝕性能，如400℃/10.3MPa/過熱蒸汽和500℃/10.3MPa/過熱蒸汽中的耐腐蝕性能；同時需要提高事故工況下的容錯能力，如滿足1000℃和1200℃高溫蒸汽氧化環境的抗氧化性能，這成為亟待解決的技術問題。

發明內容

為了解決現有技術問題，本發明的目的在于克服已有技術存在的不足，提供一種核反應堆燃料元件包殼材料用Fe-Cr-Al合金及其制備方法，添加合金化元素Nb能夠細化合金的晶粒，得到組織穩定的合金材料，提高合金的力學性能，同時提高合金在常規腐蝕環境和LOCA工況下的耐腐蝕/抗氧化性能，應用于核反應堆事故容錯燃料包殼材料領域；本發明核反應堆燃料元件包殼材料用Fe-Cr-Al合金具有比鋯合金優異的抗事故容錯能力，在核電站壓水堆中用作核燃料元件包殼材料、核燃料元件復合包殼材料以及定位格架條帶等堆芯結構材料。

為達到上述目的，本發明采用如下技術方案：

一種核反應堆燃料元件包殼材料用Fe-Cr-Al合金，該合金的化學組成以重量百分比計為：Cr:10～26％；Al:3～10％；Mo:1～5.5％；Nb:0.01～5.5％；余量為Fe和雜質。

作為本發明優選技術方案，核反應堆燃料元件包殼材料用Fe-Cr-Al合金的化學組成以重量百分比計為：Cr:13～26％；Al:3～7％；Mo:1～5.5％；Nb:0.01～5.5％；余量為Fe和雜質。

作為本發明進一步優選技術方案，核反應堆燃料元件包殼材料用Fe-Cr-Al合金的化學組成以重量百分比計為：Cr:15～25％；Al:3～6％；Mo:1～5％；Nb:0.5～5％；余量為Fe和雜質。

作為本發明更進一步優選技術方案，核反應堆燃料元件包殼材料用Fe-Cr-Al合金的化學組成以重量百分比計為：Cr:18～24％；Al:3～6％；Mo:2～5％；Nb:0.5～3％；余量為Fe和雜質。

作為本發明又更進一步優選技術方案，核反應堆燃料元件包殼材料用Fe-Cr-Al合金的化學組成以重量百分比計為：Cr:22.5～23.4％；Al:5.2～5.4％；Mo:3.5～3.8％；Nb:0.5～2.0％；余量為Fe和雜質。