[發明專利]鐵素體合金及利用其制造核燃料包殼管的方法

在審

• 申請號: 202010117661.8
• 申請日: 2020-02-25
• 公開（公告）號: CN112981273A
• 公開（公告）日: 2021-06-18
• 發明（設計）人: 李成鏞;張勛;李昇宰;金潤豪;高大均;張倉喜;金賢明;金采源
• 申請（專利權）人: 韓電原子力燃料株式會社;韓國科學技術院
• 主分類號: C22C38/40
• 分類號: C22C38/40;C22C38/06;C22C38/04;C22C38/02;C21D6/00;B23P15/00
• 代理公司: 北京友聯知識產權代理事務所(普通合伙) 11343
• 代理人: 尚志峰;汪海屏

本發明涉及核電站發生事故時具有優異的承受核電站事故的能力的鐵素體合金及利用其制造核燃料包殼管的方法。具體地，提供具有優異的承受核電站事故的能力的鐵素體合金，并提供利用其制造核燃料包殼管的方法。該合金的特征在于含有鐵(Fe)、鋁(Al)、鉻(Cr)以及鎳(Ni)。

技術領域

本發明涉及核電站發生事故時具有優異的承受核電站事故的能力的鐵素體合金及利用其制造核燃料包殼管的方法。

背景技術

核電站采用鋯合金作為核燃料包殼管材料已有60余年的歷史。用于核燃料包殼管的鋯合金在高溫下具有很高的氧化速率，因而可能產生大量的氫，由此引起氫爆炸而導致重大事故。

為了克服核電站發生事故時鋯合金的缺點，作為提高安全性的方法，可以采用將包覆核燃料燒結體的管材料替換成具有優異的高溫耐蝕性的合金的方法。其原理為，替代的合金可以降低在發生核電站事故時形成的高溫水蒸氣環境中的氧化速度并減少氫生成量。

福島核電站事故后全世界學術界、研究界及工業界都在進行研究，以使用多種材料來代替鋯包殼管。用于研究的材料包括：在鋯合金包殼管外表面涂覆鉻或鉻合金的材料、鋯-鉬-涂層材料多重結構材料、鐵基鉻鋁構成的FeCrAl材料、以及碳化硅復合體材料等。

在鋯外面涂覆鉻或鉻合金的材料對現有的核電站具有優異的適用性，并且由于鉻或鉻合金涂層而具有優異的高溫抗氧化性。然而，由于直接采用鋯材料，因而存在發生事故時包殼管破裂的情況下內側的鋯直接暴露于高溫水蒸氣環境的問題。并且，為了使包殼管破裂時仍保持高溫抗氧化性，包殼管內面也需要進行涂覆，因而在將其應用到一般的核電站用包殼管、即“內徑為8.3mm的4m長的包殼管”這種內徑窄且長的形狀的包殼管時，存在技術局限性。

在采用鋯-鉬-涂層材料多重結構材料的情況下，由于其具有優異的高溫強度，因而與鉻和鉻合金包殼管相比，在降低當溫度急劇上升時包殼管破裂而導致水蒸氣進入內部的速度的程度方面更加優異，但由于內部涂層的技術局限性，存在鋯-鉬-涂層材料多重結構材料的內部被鈾氧化物的氧氧化的問題。此外，在使用多重結構材料容易地制造及生產包殼管方面還存在需要解決的技術問題。

碳化硅復合材材料由于具有優異的高溫抗氧化性和較小的中子吸收截面積，因而具有優異的經濟性，并且具有較高的高溫強度，從而在發生事故時能夠確保結構健全性。然而，由于碳化硅復合材材料為陶瓷復合體材料，難以制造4m長的包殼管，并且其副產物在正常運轉狀態的腐蝕環境下以極快的速度溶解于水，因而存在難以保持結構健全性的缺點。

不同于上述材料，鐵基鉻及鋁構成的FeCrAl材料(以下稱為“FeCrAl材料”)由單一結構構成，因而具有內表面和外表面的抗氧化性無差異的優點，并且作為具有鐵素體單相的材料，在發生事故時不會隨溫度上升而引起相變，因而還具有無降解(degradation)的優點。然而，FeCrAl材料的中子吸收截面積比鋯合金大，因而從經濟角度出發，需要減小包殼管的厚度。為了確保包殼管在厚度減小時仍保持結構健全性，需要增大FeCrAl材料的強度。此外，FeCrAl材料雖然在正常運行狀態下的耐蝕性很優異，但具有在壓水反應堆環境下腐蝕生成物溶解于水的特性。當冷卻水中的金屬離子濃度高時，由于冷卻水放射引起的放射能泄漏量增加且污物形成物質增加，因此存在核電站的運行成本增加且阻礙安全性的問題。

發明內容

發明所要解決的問題

本發明的目的在于提供一種具有優異的承受事故的能力的鐵素體合金。本發明的另一目的在于提供一種利用鐵素體合金制造核燃料包殼管的方法。

用于解決問題的手段

本發明的一個方面提供一種鐵素體合金，其特征在于，含有鐵(Fe)、鋁(Al)、鉻(Cr)以及鎳(Ni)，所述鎳(Ni)的含量相對于合金總量為0.5重量％至10重量％。

所述鉻的含量相對于合金總量可以為13重量％至18重量％。