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涂层厚度对Cr涂层锆合金包壳高温蒸汽氧化动力学及微观机制的影响

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表面技术 2024年第12期53卷 147-157,251页

作者：严俊高思宇杨钟毓李思功王占伟彭振驯薛佳祥廖业宏中广核研究院有限公司核燃料与材料研究所广东深圳518000

目的研究涂层厚度对Cr涂层锆包壳高温蒸汽氧化行为的影响规律及其微观机制,为耐事故锆包壳表面涂层优化设计提供理论依据。方法以锆合金包壳为基体材料,采用磁控溅射工艺制备纯金属Cr涂层,目标厚度设计值为10、15、20μm 3类。采用高温... 详细信息

目的研究涂层厚度对Cr涂层锆包壳高温蒸汽氧化行为的影响规律及其微观机制,为耐事故锆包壳表面涂层优化设计提供理论依据。方法以锆合金包壳为基体材料,采用磁控溅射工艺制备纯金属Cr涂层,目标厚度设计值为10、15、20μm 3类。采用高温蒸汽氧化设备开展试验,氧化温度为1200℃,等温氧化时间为500~3000 s,系统研究模拟反应堆失水事故(LOCA)工况下涂层厚度对该材料体系高温蒸汽氧化行为及氧化动力学的影响。试验后,通过X射线衍射仪、场发射扫描电子显微镜及能谱仪等表征各样品氧化膜微结构特征、氧化层厚度、元素分布及物相组成等,基于氧化膜层厚度构建Cr涂层氧化动力学模型,同步探讨涂层原始厚度对其高温蒸汽氧化-失效微观机理的影响。结果涂层厚度为10μm时,其对锆合金基体保护作用有限,等温氧化2000 s时其表面Cr_(2)O_(3)氧化膜和残余Cr涂层已完全丧失保护功能,锆合金基体被连续氧化。涂层厚度为15μm时,第一阶段,生成保护性能较好的Cr_(2)O_(3)氧化膜,Cr涂层的氧化行为满足抛物线规律;第二阶段,Cr涂层的氧化行为发生转变,氧化膜及其残余涂层保护性能衰退,但锆合金基体始终未被氧化。涂层厚度为20μm时,Cr涂层的氧化行为满足抛物线规律,但氧化行为未发生转变,表面氧化膜及残余Cr涂层保护性能较好。结论Cr涂层厚度增加可在一定程度上提升其抗高温蒸汽氧化性能,进而提高反应堆事故工况下燃料包壳抵御事故的能力,从而在一定程度上延长不干预时间。

关键词：涂层锆合金高温蒸汽氧化涂层厚度氧化动力学氧化机制

基于LOCUST程序的事故容错燃料大破口失水事故安全分析

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核动力工程 2024年第S01期45卷 138-144页

作者：熊怡然马泽华梁任林支康琚忠云彭振驯中广核研究院有限公司广东深圳518000

事故容错燃料(ATF)旨在提高核燃料在正常运行工况和事故工况下的安全特性。为评估ATF在大型商业压水堆大破口失水事故(LBLOCA)中的安全性能,本研究基于LOCUST程序,对采用UO_(2)-Cr涂层锆合金包壳燃料的华龙一号(HPR1000)在LBLOCA不同阶... 详细信息

事故容错燃料(ATF)旨在提高核燃料在正常运行工况和事故工况下的安全特性。为评估ATF在大型商业压水堆大破口失水事故(LBLOCA)中的安全性能,本研究基于LOCUST程序,对采用UO_(2)-Cr涂层锆合金包壳燃料的华龙一号(HPR1000)在LBLOCA不同阶段的主要热工水力现象和关键影响参数进行了分析和说明。结果表明,相比传统的UO_(2)-Zr燃料,UO_(2)-Cr涂层锆合金包壳燃料能降低LBLOCA下的包壳峰值温度(PCT)和包壳氧化膜厚度,提升了事故安全裕量,具有更好的事故容错性。

关键词：事故容错燃料(ATF) 大破口失水事故(LBLOCA) 华龙一号(HPR1000) 安全分析

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核反应堆刚凸-包壳微动损伤裂纹行为研究

重庆理工大学学报(自然科学) 2024年第09期 227-235页

作者：崔筱婷王宇星廖业宏沈火明任啟森刘娟彭振驯黄恒西南交通大学力学与航空航天学院西南交通大学机械工程学院中广核研究院有限公司核燃料与材料研究所

核燃料棒组件中包壳管与刚凸之间发生的微动行为可能引起组件的破坏失效，严重时会威胁反应堆安全。为此，以核燃料棒中刚凸-包壳结构为研究对象，针对其在微动行为下裂纹的萌生及扩展问题，通过有限元仿真的方法展开研究。研究结果表... 详细信息

核燃料棒组件中包壳管与刚凸之间发生的微动行为可能引起组件的破坏失效，严重时会威胁反应堆安全。为此，以核燃料棒中刚凸-包壳结构为研究对象，针对其在微动行为下裂纹的萌生及扩展问题，通过有限元仿真的方法展开研究。研究结果表明：在微动过程中包壳管接触区始终处于受压状态，滑移区中裂纹受剪应力控制，在包壳管涂层基体界面开裂并沿着界面蜿蜒扩展，导致涂层剥离；在混合区和部分滑移区中，裂纹受剪应力和正应力同时作用，起裂于包壳表面或次表面向内部扩展；刚凸-包壳结构微动行为中，剪应力是导致包壳管损伤的主要因素，对裂纹的萌生和扩展起主导作用。

关键词：刚凸-包壳结构微动裂纹萌生裂纹扩展

常压下SiC包壳材料表面饱和池式沸腾汽泡行为机理研究

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核动力工程 2024年第S01期45卷 167-174页

作者：金德升严亚伦程艳花付学峰彭振驯廖业宏毛玉龙中广核研究院有限公司广东深圳518000

SiC材料是一种耐高温、抗氧化性好的耐事故燃料(ATF)类型,其传热及临界热流密度(CHF)性能是评估材料性能的重要指标,汽泡行为机理研究有助于评估其传热性能。采用常压池式沸腾可视化实验装置对SiC包壳材料汽泡行为机理进行研究,分析了... 详细信息

SiC材料是一种耐高温、抗氧化性好的耐事故燃料(ATF)类型,其传热及临界热流密度(CHF)性能是评估材料性能的重要指标,汽泡行为机理研究有助于评估其传热性能。采用常压池式沸腾可视化实验装置对SiC包壳材料汽泡行为机理进行研究,分析了其池式沸腾曲线不同区段中汽泡生长、脱离过程。根据观察到的SiC包壳表面池式沸腾汽泡图像,将整个池式沸腾传热过程分为自然对流区段、孤立汽泡核态沸腾区段、弹状汽泡核态沸腾区段和膜状汽泡核态沸腾区段4个区段。在孤立汽泡核态沸腾区段,SiC包壳表面汽泡生长时间较短、汽泡脱离频率高;在弹状汽泡核态沸腾区段,SiC表面产生大量汽泡,汽泡之间的相互作用剧烈,SiC表面传热较强。建立的接触角与脱离直径关系式可为后续传热模型的建立提供重要支撑。

关键词： SiC 池式沸腾汽泡行为脱离直径脱离频率

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涂层锆合金包壳管切向微动磨损数值预测模型研究

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重庆理工大学学报（自然科学） 2024年第2期38卷 117-122页

作者：王凯模沈火明王宇星廖业宏刘娟任啟森彭振驯黄恒西南交通大学力学与航空航天学院成都610031 西南交通大学机械工程学院成都610031 中广核研究院有限公司核燃料与材料研究所广东深圳518026

为建立涂层锆合金包壳微动磨损的有限元计算分析模型,预测切向工况下的最大磨损深度,基于包壳-格架的实际几何特征建立了涂层锆合金包壳-刚凸接触系统的有限元模型,采用Archard磨损模型计算磨损量,结合ABAQUS的ALE功能和UMESHMOTION子... 详细信息

为建立涂层锆合金包壳微动磨损的有限元计算分析模型,预测切向工况下的最大磨损深度,基于包壳-格架的实际几何特征建立了涂层锆合金包壳-刚凸接触系统的有限元模型,采用Archard磨损模型计算磨损量,结合ABAQUS的ALE功能和UMESHMOTION子程序模拟磨损过程。根据微动磨损试验结果分析磨损系数随磨损周次的变化情况,并拟合其函数关系。有限元计算的最大磨损深度和最大深度的位置与试验结果相符,表明所建立的模型可用于涂层锆合金包壳切向微动磨损最大深度的预测。

关键词：锆合金包壳微动磨损 Archard模型

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一种复合型核电池的理论设计

核技术 2010年第4期33卷 308-311页

作者：彭振驯张鹏贺朝会西安交通大学核科学与技术学院西安710049

在各类核电池中,直接接收型核电池的结构最简单,但其效率不高。部分原因在于很多带电粒子反向发射,被发射极自吸收而产生废热。考虑到如何把燃料产生的废热利用起来,设计了一种复合型核电池的结构,即在直接接收型核电池结构的基础上,加... 详细信息

在各类核电池中,直接接收型核电池的结构最简单,但其效率不高。部分原因在于很多带电粒子反向发射,被发射极自吸收而产生废热。考虑到如何把燃料产生的废热利用起来,设计了一种复合型核电池的结构,即在直接接收型核电池结构的基础上,加上热电转换装置,把直接接收型核电池产生的废热转换为电,进而可以明显地提高整个电池1%左右的效率。

关键词：核电池热电转换废热利用复合型核电池

Cr涂层锆合金包壳高温蒸汽氧化动力学及微观机理

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稀有金属材料与工程 2023年第1期52卷 291-299页

作者：廖业宏彭振驯严俊王占伟李思功任啟森中广核研究院有限公司核燃料与材料研究所广东深圳518000 核电站高安全性事故容错燃料技术工程实验室广东深圳518000

Cr涂层锆合金包壳具备抗高温蒸汽氧化性能优异、耐腐蚀和耐磨蚀性能良好、工程应用难度较小等特点,成为最具前景的近期型事故容错燃料候选材料之一。本工作以Zr-1Nb合金管为基体材料,采用磁控溅射工艺制备均匀致密Cr涂层,涂层厚度范围12... 详细信息

Cr涂层锆合金包壳具备抗高温蒸汽氧化性能优异、耐腐蚀和耐磨蚀性能良好、工程应用难度较小等特点,成为最具前景的近期型事故容错燃料候选材料之一。本工作以Zr-1Nb合金管为基体材料,采用磁控溅射工艺制备均匀致密Cr涂层,涂层厚度范围12~15μm。通过同步综合热分析仪开展双面高温蒸汽氧化试验,氧化温度为1000、1100和1200℃,氧化时间为300~5000 s,系统研究反应堆事故工况下Cr涂层锆合金包壳高温蒸汽氧化行为。采用扫描电子显微镜、能谱仪和X射线衍射仪表征高温氧化产物膜微观形貌特征、氧化层厚度、元素分布以及物相组成等,建立Cr涂层氧化动力学模型,探讨高温氧化机理。研究表明,高温蒸汽环境中,Cr涂层锆合金包壳外壁形成致密Cr2O3层,有效阻止O元素扩散至Zr合金基体,从而提升复合包壳的耐高温性能。其次,Cr涂层高温蒸汽氧化动力学曲线遵循抛物线规律,氧化速率常数比锆合金低大约2个数量级,显著提升锆合金包壳抗高温蒸汽氧化性能。

关键词：磁控溅射 Cr涂层锆合金包壳高温蒸汽氧化氧化速率常数氧化机理

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陆上小型堆烟羽应急计划区划分初步研究

核科学与工程 2016年第6期36卷 811-816页

作者：彭滨王彪蔡杰进彭振驯刘望中山大学中法核工程与技术学院广州510275 中科华核电技术研究院深圳518035

小型堆烟羽应急计划区(EPZ)大小作为其市场推广和应用的重要外部约束条件之一,意味着制定合适的划分准则和确立其大小范围具有十分重大的意义。结合现行大堆烟羽应急计划区(EPZ)的划分准则,本文分析了国内外小型堆烟羽应急计划区(EPZ)... 详细信息

小型堆烟羽应急计划区(EPZ)大小作为其市场推广和应用的重要外部约束条件之一,意味着制定合适的划分准则和确立其大小范围具有十分重大的意义。结合现行大堆烟羽应急计划区(EPZ)的划分准则,本文分析了国内外小型堆烟羽应急计划区(EPZ)划分方法,提出陆上小型堆采用剂量/距离的划分方法。在研究中,基于MAAP程序对某小型堆进行建模计算,从中得出了较为合理的机理性应急源项;并通过大气扩散计算软件MACCS程序进行烟羽应急计划区(EPZ)计算;同时对厂址差异进行相关的灵敏性分析。

关键词：小型堆严重事故机理源项烟羽应急计划区

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Cr涂层锆合金包壳模拟LOCA试验研究

核动力工程 2023年第2期44卷 122-128页

作者：王占伟严俊彭振驯任啟森廖业宏李思功赵亚欢中广核研究院有限公司核燃料与材料研究所广东深圳518026

2011年日本福岛核事故暴露传统锆合金燃料包壳在失水事故(LOCA)工况下的安全性问题。为了探究新型Cr涂层锆合金包壳在LOCA工况下的性能,本研究针对物理气相沉积(PVD)工艺涂覆的12~15μm厚度Cr涂层Zr-1Nb合金包壳管,开展模拟LOCA工况下... 详细信息

2011年日本福岛核事故暴露传统锆合金燃料包壳在失水事故(LOCA)工况下的安全性问题。为了探究新型Cr涂层锆合金包壳在LOCA工况下的性能,本研究针对物理气相沉积(PVD)工艺涂覆的12~15μm厚度Cr涂层Zr-1Nb合金包壳管,开展模拟LOCA工况下的高温蒸汽氧化-淬火试验,氧化温度为1200℃和1300℃,单面氧化时间为10 min和20 min,淬火温度约800℃,之后对淬火后试样进行环压测试。结果发现,在研究条件下,Cr涂层未出现剥落,涂层完整;Cr涂层锆合金包壳外表面形成较为致密Cr_(2)O_(3)层,抑制O原子扩散至锆合金基体,阻止锆合金基体被氧化为ZrO_(2)层和α-Zr(O)层,环压测试发现淬火后包壳保持良好塑性。研究表明,在本测试工况下Cr涂层锆合金包壳相比传统锆合金包壳具有更强的抗LOCA事故能力。

关键词： Cr涂层锆合金包壳失水事故(LOCA) 高温蒸汽氧化淬火塑-脆性转变