铀锆合金燃料制备技术研究

摘要

人类正面临着能源短缺和化石燃料使用带来的环境压力，核能因其具有能量密度高、不排放温室气体等优点是解决能源问题的一个重要途径。目前，核能领域正发展的聚变-裂变混合堆、快中子堆、ADS能源系统等新型核能系统拟采用金属型核燃料，而金属型核燃料在制备和使用过程中存在成分不均匀、辐照肿胀、与包壳材料在高温发生反应，从而导致金属型核燃料存在长期稳定性问题，因此对燃料制备过程中元素扩散、界面反应及使用过程中辐照稳定性的系统研究非常必要。本论文选择铀锆合金为研究对象，开展的研究内容和结果如下:
　　铀锆合金熔炼铸造技术和组织结构研究。采用二次合金化技术真空感应熔炼制备了U-2wt.％Zr、U-4wt.％Zr、U-6wt.％Zr、U-8wt.％Zr、U-10wt.％Zr、U-12wt.％Zr和U-15wt.％Zr等铀锆合金，制备的公斤级U-10wt.％Zr合金锆含量偏差小于0.5％，杂质含量低于1000μg/g。研究表明，铸态铀锆合金即使Zr含量很低，也是由过饱和固溶的α-U相和δ-UZr2相组成，即所有富铀的铸态铀锆合金都为双相组织。铀锆合金在铸造冷却过程中，首先发生γ→γ1+γ2调幅分解，然后γ1相和γ2相分别发生固态反应，其中γ1相发生了γ1→α-U马氏体相变，γ2相则先通过晶面坍塌形成ω相，然后有序化形成δ-UZr2相。TEM研究表明，α-U和δ-UZr2之间共格，位向关系为(010)[001]α∥(0110)[2110]δ。
　　多孔U-10wt.％Zr合金粉末冶金制备技术研究。U-10wt.％Zr合金中的孔隙在使用过程中可以容纳裂变产物，本论文采用氢化-去氢化法制备U-10wt.％Zr合金粉末，通过冷等静压制备坯料，真空烧结制备了不同孔隙率的多孔U-10wt.％Zr合金。氢化-去氢化法可以得到不被氧化、粒径可控的U-10wt.％Zr合金粉末，U-10wt.％Zr合金粉末冷等静压坯料的密度对烧结后致密度影响不大，通过控制压坯真空烧结的时间和温度可以得到相对密度为70～91％的多孔铀锆合金。孔隙度对U-10wt.％Zr合金热导率的影响符合Loeb关系。
　　Zr-4合金包覆U-10wt.％Zr合金技术研究。采用真空热压扩散法和热等静压法应用Zr-4合金包覆U-10wt.％Zr合金。真空热压扩散实验表明，为了得到U-10wt.％Zr合金燃料与包壳材料Zr-4合金结合良好的界面，应精确控制热压温度和时间，避免在界面处形成过多的UZr2金属间化合物。α-U基体与δ-UZr2共格，UZr2在靠近Zr-4合金界面铀元素富集，UZr2与Zr-4合金共格。热等静压包覆结果表明，合金元素体扩散受到各向相等压力的抑制，激活能明显增大，扩散速率降低，而晶界扩散受到的影响较小，铀在Zr-4合金中扩散表现为晶界择优扩散。在U-10wt.％Zr/Zr-4合金界面生成了UZr2金属间化合物层，在U-10wt.％Zr合金与UZr2层之间生产了纯锆层。
　　U-10wt.％Zr与Zr-4合金之间相容性研究。U-10wt.％Zr合金和Zr-4合金之间的界面扩散行为受扩散速率控制，U元素向Zr-4合金的扩散速率相对较快，扩散层生长厚度与时间的关系符合抛物线规律。U-10wt.％Zr/Zr-4合金体系在800℃～1100℃温区的互扩散系数为1×10-15～1×10-13 m2/s，在锆含量小于40 at.％时扩散系数相对较小。在380℃～1100℃温度区间，U-10wt.％Zr/Zr-4合金界面扩散层生长行为分为三个区间，分别受不同的扩散生长机制控制。在380℃～600℃温区，受到铀元素在δ-UZr2相内扩散的控制，生长速率常数为9.85×104 m2/s，激活能为340.93 kJ/mol。在650℃～800℃温区，U原子在α-Zr中以置换机制扩散，扩散层生长受此机制控制，生长速率常数为4.10×10-4 m2/s，激活能为206.33 kJ/mol;在900℃～1100℃温区，元素在γ(U，Zr)固溶体中以空位机制扩散，生长速率常数为3.43×10-6 m2/s，激活能为158.50 kJ/mol。实验结果表明，在温度小于500℃时U-10wt.％Zr合金燃料与Zr-4合金之间相容性良好。

目录

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摘要

第1章 绪论

1．1 核燃料发展历程

1．2 金属型核燃料的发展历程

1．3 铀锆合金燃料研究现状

1．3．1 铀锆合金制备技术

1．3．2 铀锆合金组织结构和相变

1．3．3 铀锆合金辐照效应

1．4 小结

1．5 选题意义和研究内容

第2章 铀锆合金制备与组织结构

2．1 铀锆合金制备技术

2．2 铀锆合金微观组织

2．3 U-10wt．％Zr合金相变行为

2．3．2 U-10wt．％Zr合金的相稳定性

2．3．3 U-10wt．％Zr合金的相变机制

2．4 本章小结

第3章 多孔U-10wt．％Zr合金制备技术

3．1 U-10wt．％Zr合金粉体制备

3．2 U-10wt．％Zr合金粉体真空烧结

3．3 孔隙率对U-10wt．％Zr合金热导率的影响

3．4 本章小结

第4章 U-10wt．％Zr合金包覆技术研究

4．1 真空热压包覆技术

4．1．1 真空热压工艺参数

4．1．2 界面相组成和微观结构

4．1．3 扩散层的生长

4．2 热等静压包覆技术

4．3 浇铸复合技术

4．4 本章小结

第5章 U-10wt．％Zr与Zr-4合金的相容性研究

5．1 U-10wt．％Zr／Zr-4合金界面结构

5．2 U-10wt．％Zr／Zr-4合金扩散动力学

5．2．2 U-Zr合金扩散热力学

5．2．3 扩散层生长动力学

5．3 U-10wt．％Zr／Zr-4合金扩散机制

5．4 本章小结

第6章 总结

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果