CO反应法制备氢化锆表面阻氢渗透层的研究

摘要

CO<,2>反应法制备氢化锆表面氢渗透阻挡层的研究材料加工工程随着世界对“核能”需求的增长，对核反应堆材料的要求也越来越高。氢化锆因其中子截面小、比重较轻、氢含量高、使用温度高和良好的导热性等优点，成为一种理想的空间堆和小型反应堆的慢化剂材料，并已在脉冲堆中得到应用。 作为中子慢化剂的氢化锆工作温度为650～750℃，而氢化锆在550℃下就会开始析氢。氢的析出一方面增大了包壳中的压力，另一方面则使氢化锆的氢含量降低，从而降低其中子慢化能力。所以，在高温下阻止或减缓氢化锆中氢的析出，是能否将其应用于小型反应堆中必须解决的一个关键问题。 国内外的研究资料表明对锆合金表面进行处理，即建立保护层，是最经济和最有效的提高锆合金防腐蚀和阻止氢渗透性能的方法。本论文研究采用CO<,2>气固反应法在氢化锆表面生成一致密的氧化膜作为阻氢渗透层。此法不受工件的外形限制、工艺简单、设备要求低，能在保证结构材料的整体性质的前提下在锆合金表面生成致密的保护膜。 本论文通过对经不同时间长度CO<,2>气固反应得到氢化锆试样表面氧化膜形貌和成分分析、700℃表面氧化层抗CO<,2>氧化腐蚀测试分析、氢化锆700℃不同气氛下的放氢实验、不同氧化膜化学性能测试的现象及结果分析，来说明以下问题：氧化动力学与氧化膜成分、性质、组织和缺陷的关系，氧化膜及基体金属内的应力特性与防腐蚀性能的关系，氧化机制参数中时间和缓蚀剂的影响，晶体结构对阻氢性能的影响。 研究的结果表明，使用CO<,2>气固反应法能在氢化锆表面生成致密的氧化层，其阻氢机理是非化学计量式的氧化锆晶体结构中氧和锆离子平均间隙约为0.05nm到0.09nm，小于氢原子的直径约为0.105nm，所以氢很难通过完好致密的氧化膜。在700℃不同氛围的模拟实验中该层CO<,2>腐蚀气氛中生成化学计量式的ZrO<,2>氧离子直径是0.264nm，阴氧离子空位为氢原子在ZrO<,2>晶格中扩散提供了极好的条件，且ZrO<,2>相还可产生应力引起氧化膜的机械破裂导致析氢。本实验还分析了P作为氧化缓蚀剂的作用和氧化锆膜层的抗酸碱作用，并探讨了CO<,2>气固反应的对锆合金表面保护层的适用性。

目录

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第一章绪论

1.1锆合金应用研究的兴起

1.2氢化锆表面阻挡层研究的目的和意义

1.3阻氢渗透层和防腐层研究的现状

1.4氧化膜的生成条件、结构与性能的关系

1.5本课题的研究方向

1.6本实验的研究途径

第二章试验方法

2.1试验材料

2.2试验设备

2.3氢化锆表面制备阻氢渗透层工艺

2.4表面阻氢渗透层的阻氢实验

2.5试样表面分析方法

第三章CO2反应法在氢化锆表面生成薄膜的研究

3.1原始氢化锆试样的表面分析

3.2 CO2与氢化锆表面反应的机理

3.3氢化锆表面氧化膜的研究

3.4氢化锆表面氧化层抗二氧化碳氧化实验及结果分析

3.5磷的作用

3.6本章小结

第四章氢化锆表面阻氢渗透层阻氢性能研究

4.1氢化锆表面氧化层阻氢渗透实验

4.2阻氢渗透层变化机理的探讨

4.3实验中其它现象及分析

4.4本章小结

第五章CO2反应法在锆合金表面制备的氧化层研究及展望

5.1 CO2反应法在锆合金表面制备保护性的氧化膜化学性能测试

5.2氢化锆表面氧化层的催化性能

5.3 CO2气固反应法在锆合金表面制备保护性的尝试

5.4 CO2气固反应法应用在锆合金表面制备的保护性氧化层的展望

第六章结论

参考文献

在读期间发表的论文

致谢