混合堆背景下铀钼合金燃料材料的设计与制备技术研究

摘要

磁约束聚变-裂变混合堆能源系统（以下简称混合堆）的基本原理，是利用Tokamak装置内D-T聚变释放的高能中子驱动以238U或232Th为燃料的次临界裂变反应堆，实现能量倍增，并生产氚以维持Tokamak装置氚自持。其技术特点是:利用聚变中子良好的中子增殖特性，与可裂变核素作用产生易裂变核素，利用轻水的强慢化作用，将中能中子迅速慢化到热能，同时使易裂变核素就地裂变放能。使用的燃料，无论是天然铀/钍还是乏燃料，都无需进行同位素分离。混合堆的实现，将打破资源束缚，大幅度提高资源的利用效率，是突破性的技术进展。
　　作为混合堆应用的关键技术和先决条件之一，次临界裂变堆燃料材料的设计与制造技术研发被提上了日程。裂变燃料元件承担着接受聚变中子辐照和裂变放能的任务，是次临界堆的核心部分，也是实现混合堆能量增殖的关键部件。混合堆是一个创新的能源系统概念，因此与传统裂变堆燃料元件不同，混合堆中次临界堆裂变燃料元件面临一个全新的工作环境，对其性能要求也有所不同。本论文针对聚变裂变混合堆应用背景，分析了次临界能源包层中裂变核燃料材料的技术要求，从成分和结构两个方面开展了材料设计工作。选择了铀钼系二元或三元合金作为研究对象，以U-10wt.％Mo合金为重点，设计并验证了一条真空熔炼铸造-氢化去氢制粉-真空固相烧结的技术路线，成功地制备了含一定孔隙度的核燃料材料。主要探讨了铀钼系合金的γ相稳定性、U-10wt.％Mo合金氢化反应机理、粉末冶金工艺对制品孔隙度的影响规律以及孔隙对合金力学、热物理性能的影响规律。主要研究结果如下:
　　(1)研究了合金元素对铀钼合金γ相稳定性的影响规律。使用成熟的相图计算软件模拟计算了U-Mo-Zr和U-Mo-Nb三元合金相图，设计选择了几种典型成分并制备了三元合金样品。对样品的相结构和微观组织结构进行了表征。结果证实了对于γ相稳定性而言，在U-Mo系合金中添加Nb的效果比添加Zr要好。
　　(2)运用氢化反应原位观察实验技术，结合表面分析技术详细研究了U-10wt.％Mo合金的氢化反应机理。结果表明， U-10wt.％Mo合金氢化反应可分为孕育期、形核期、生长期三个阶段。环境中的氢需要通过氧化层扩散到达金属表面才能发生氢化反应，因此氧化层的厚度与氢化反应的速率有关。由于部分相分解的U-10wt.％Mo合金表面氧化层存在龟裂现象，导致该处氧化层相对于γ相区更薄，氢易于从此处扩散到达氧化物-金属界面发生氢化反应，所以氢化物形核基本都在相变区域，且氢化反应速率远比γ相U-10wt.％Mo合金快;而γ相U-10wt.％Mo合金表面氧化层致密完整，因此存在一个较长的孕育期。实验结果显示，氧化层的结构对U-10wt.％Mo合金与氢的反应有重要的影响。
　　(3)测试了不同Mo含量U-Mo合金的室温力学性能和硬度。结果证实材料的力学性能并不与Mo含量直接相关，而是与其微观组织结构相关。针对混合堆应用环境，测试了U-10wt.％Mo合金在400℃、500℃、600℃下的拉伸力学性能。发现在此温区，材料的强度下降到室温的一半左右。实验同时证实，铸态的U-10wt.％Mo合金塑性较差，这可能与晶界处富集的夹杂物弱化晶界结合强度有关。
　　(4)开展了含孔隙U-10wt.％Mo合金样品粉末冶金制备方法研究。发现在800℃，900℃下铀钼合金的烧结致密化效果不明显，在1100℃下烧结样品才会出现比较快的致密化过程，但是如果想要再提高温度，则可能出现样品熔化。因此，1100℃是比较适宜的温度条件。而对烧结时间的控制则可实现对样品密度的控制。由此找到了制备适当密度样品的工艺方法。
　　(5)测量了固态及多孔U-10wt.％Mo合金的热物理性能数据。实验发现，U-10wt.％Mo合金的热导率随温度的上升而上升，随样品中孔隙率的上升而近似线性下降，其规律复合Loeb方程。作为一种具有潜在应用前景的金属型核燃料材料，其热物理性能对其应用有重要的意义，也是堆物理模拟的关键参数。这些参数将对建立高置信度的模型具有重要的参考价值。

目录

声明

摘要

引言

第一章 铀钼合金研究历史及制备工艺技术研究进展(文献综述)

1．1 铀钼合金研究历史简介

1．2 铀钼合金制各工艺研究现状

1．2．1 熔炼铸造

1．2．2 组织结构和相变行为

1．2．3．物理性能

1．2．4．基于铀钼系的三元合金研究进展

1．2．5．铀钼合金粉体制备工艺

1．3．小结

第二章 混合堆背景下铀钼合金的材料设计

2．1 引言

2．2 铀及铀合金的辐照效应

2．3 成分设计

2．3．1 二元合金体系分析

2．3．2 三元合金体系分析

2．4 结构设计

第三章 实验方法

3．1 样品制各方法

3．1．1 铀钼合金及铀钼系三元合金的熔炼铸造及热处理方法

3．1．2 多孔U-10wt．％Mo合金的粉末冶金制各方法

3．2 样品分析表征方法

3．3 热物理性能测试方法

3．3．1 密度测量

3．3．2 热扩散系数和比热容

3．3．3 热膨胀系敷

3．4 力学性能测试方法

3．4．1 室温静载拉伸实验

3．4．2 压缩实验

3．4．3 高温拉伸实验

3．4．4 硬度试验

第四章 铀钼系合金成分设计实验结果

4．1 引言

4．2 铀钼二元合金的制备与分析

4．2．1 铀钼二元合金的微观组织和相结构

4．2．2 铀钼二元合金的室温力学性能和硬度

4．2．3 U-10wt．％Mo合金的高温力学性能

4．3 铀钼锆和铀钼铌三元合金的热力学相图计算

4．3．1 相图计算的热力学模型

4．3．2 U-Mo-Zr和U-Mo-Nb三元合金的热力学参数

4．3．3 U-Mo-Zr和U-Mo-Nb三元合金相图计算结果

4．4 铀钼锆和铀钼铌三元合金的制备和分析

4．5 本章小结

第五章 多孔铀钼合金的制各技术研究

5．1 引言

5．2 U-10wt．％Mo合金的氢化机理

5．2．1 实验方法

5．2．2 实验结果

5．2．2 讨论

5．3 U-10wt．％Mo合金的氢化去氢制粉工艺

5．4 U-10wt．％Mo合金的真空固相烧结

5．4．1 不同烧结温度的影响

5．4．2 900℃下烧结时间的影响

5．4．3 1100℃下烧结时间的影响

5．4．4 800℃预烧结-1100℃烧结工艺

5．5 孔隙率对U-10wt．％Mo合金热物理性能的影响

5．5．1 样品准备

5．5．2 热扩散率和比热容

5．5．3 热膨胀系数与密度变化

5．5．4 热导率

5．6 含孔隙U-10wt．％Mo合金的室温压缩性能实验

5．7 本章小结

第六章 全文总结及结论

致谢

参考文献

附录：攻读博士学位期间发表论文情况