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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

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事故容错燃料包壳材料在水化学环境中的动水腐蚀试验

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腐蚀与防护 2024年第6期45卷 81-86页

作者：童刚王诗槐彭帆卢冬华王阔严俊薛佳祥中广核研究院有限公司综合热工水力与安全实验室深圳518000

为了掌握事故容错燃料(ATF)包壳材料的耐动水腐蚀性能,搭建了专设台架以模拟堆芯部位的热工水力环境和水化学环境。针对普通Zr合金及涂覆Cr金属涂层的Zr合金、FeCrAl合金等ATF包壳候选材料在空管条件和内置电加热棒条件下分别开展动水... 详细信息

为了掌握事故容错燃料(ATF)包壳材料的耐动水腐蚀性能,搭建了专设台架以模拟堆芯部位的热工水力环境和水化学环境。针对普通Zr合金及涂覆Cr金属涂层的Zr合金、FeCrAl合金等ATF包壳候选材料在空管条件和内置电加热棒条件下分别开展动水腐蚀试验。结果表明:这三种材料在水化学环境中经动水腐蚀28 d后表面均未产生明显的氧化膜,表明各材料均有较好的短期耐蚀性;与空管条件相比,在内置电加热棒条件下,Zr合金和涂覆Cr金属涂层的Zr合金表面的颗粒状氧化产物更密集,抗氧化性能更优;在空管条件和内置电加热棒条件下,涂覆Cr金属涂层的Zr合金相较于普通Zr合金具有更好的耐蚀性,但在内置电加热棒条件下,两种材料表面均检测到其他相,有待进一步研究。

关键词：事故容错燃料(ATF) 包壳材料动水腐蚀微观形貌

连接温度对铝空气钎焊工艺连接SiC接头结构与性能的影响

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热加工工艺 2024年第13期 46-49页

作者：吴利翔薛佳祥翟剑晗刘洋马海滨任啟森廖业宏郭伟明林华泰中广核研究院有限公司核燃料与材料研究所广东工业大学机电工程学院

采用金属Al箔作为连接材料，探究空气气氛下连接温度对Si C陶瓷连接接头结构和性能的影响。结果表明，1000℃连接时金属Al的过量流失会导致Si C接头连接层孔洞缺陷的产生；保持热处理工艺不变，将连接温度降低至900℃，不仅可避免连接... 详细信息

采用金属Al箔作为连接材料，探究空气气氛下连接温度对Si C陶瓷连接接头结构和性能的影响。结果表明，1000℃连接时金属Al的过量流失会导致Si C接头连接层孔洞缺陷的产生；保持热处理工艺不变，将连接温度降低至900℃，不仅可避免连接层气孔缺陷的产生，而且可有效促进中间层Al单质向Al2O3的完全转化，相比于1000℃连接的Si C接头，其室温剪切强度从（22.0±5.4）MPa提高到（117.0±18.7） MPa。

关键词：碳化硅钎焊连接温度显微结构剪切强度

Fe13Cr5Al4Mo合金在360℃/18.6 MPa LiOH水溶液中的腐蚀行为

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稀有金属材料与工程 2024年第7期 2018-2024页

作者：马海滨王皓瑜张文怀林晓冬薛佳祥任啟森廖业宏胡丽娟孙蓉蓉梁雪李毅丰姚美意中广核研究院有限公司上海大学材料研究所上海大学微结构重点实验室

采用静态高压釜研究了Fe13Cr5Al4Mo合金在360℃/18.6 MPa/70μg/mL LiOH水溶液中的腐蚀行为，以评估其在高温高压水环境中的耐腐蚀性能。采用SEM、TEM、EDS等研究了Fe13Cr5Al4Mo合金腐蚀后的氧化膜显微组织及其演化行为。结果表明，Fe13... 详细信息

采用静态高压釜研究了Fe13Cr5Al4Mo合金在360℃/18.6 MPa/70μg/mL LiOH水溶液中的腐蚀行为，以评估其在高温高压水环境中的耐腐蚀性能。采用SEM、TEM、EDS等研究了Fe13Cr5Al4Mo合金腐蚀后的氧化膜显微组织及其演化行为。结果表明，Fe13Cr5Al4Mo合金在LiOH水溶液中表现为腐蚀失重，这与LiOH影响了Fe的氧化物溶解-再沉积过程有关。Fe13Cr5Al4Mo合金在LiOH水溶液中长期腐蚀形成的氧化膜主要由Fe（Cr,Al）2O4组成，靠近外表面存在少量Fe3O4。这层Fe（Cr,Al）2O4膜可以阻碍金属阳离子和氧离子在氧化膜内的扩散，进而延缓Fe13Cr5Al4Mo合金的进一步腐蚀。

关键词： ATF包壳材料 FeCrAl合金腐蚀氧化膜显微组织

反应堆运行工况下SiC复合包壳的多物理场耦合性能分析

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核安全 2024年第2期23卷 45-53页

作者：肖玲卢志威武海龙薛佳祥廖业宏中广核研究院有限公司深圳518026

SiC复合材料在高温强度、辐照稳定性、抗蠕变、抗氧化、耐磨蚀等方面具有显著优势,在轻水堆事故工况下具备较大的容错潜力。日本福岛核事故之后,基于SiC复合材料的核燃料包壳已成为国际核燃料领域的研究热点。在结构形式和材料属性方面,... 详细信息

SiC复合材料在高温强度、辐照稳定性、抗蠕变、抗氧化、耐磨蚀等方面具有显著优势,在轻水堆事故工况下具备较大的容错潜力。日本福岛核事故之后,基于SiC复合材料的核燃料包壳已成为国际核燃料领域的研究热点。在结构形式和材料属性方面,SiC复合包壳与Zr合金包壳存在显著差异,本文采用有限元分析方法,模拟了双层SiC复合包壳及先进燃料芯块在反应堆正常运行工况下的热力学行为。模拟结果显示,稳态条件下采用双层SiC复合包壳时,U_(3)Si_(2)燃料相较于UO_(2)燃料及UN燃料具有更好的温度特性;UN燃料具有更好的力学性能,可延迟PCMI时间,减少燃料和包壳之间的相互作用,包壳失效概率更低。

关键词： SiC 包壳有限元多物理场分析热力学性能分析

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不同燃料包壳同格架栅元拉棒磨损行为研究

润滑与密封 2023年

作者：耿少寅李思功廖业宏张泽伍薛佳祥黄恒蔡振兵西南交通大学摩擦学研究所中广核研究院有限公司

使用ETM104B型电子力学试验机对Zr-1Nb合金包壳、Cr涂层Zr-1Nb合金包壳同燃料格架进行了拉棒试验，模拟了燃料棒组件组装拉棒过程中包壳管的磨损行为及损伤机制。通过光学显微镜、扫描电子显微镜、白光干涉仪等对磨损表面的光学形貌、... 详细信息

使用ETM104B型电子力学试验机对Zr-1Nb合金包壳、Cr涂层Zr-1Nb合金包壳同燃料格架进行了拉棒试验，模拟了燃料棒组件组装拉棒过程中包壳管的磨损行为及损伤机制。通过光学显微镜、扫描电子显微镜、白光干涉仪等对磨损表面的光学形貌、微观显微形貌、元素分布等进行了表征分析，结果表明：两种包壳管在同格架上的刚凸和弹簧对磨后，均是当对磨副为弹簧时磨损更为严重，并且Cr涂层包壳表现出了更好的耐磨损性能，其表面磨痕的宽度及深度均小于Zr-1Nb合金包壳。对于Zr-1Nb合金包壳，当对磨副为刚凸时磨痕上存在沟壑和层状磨屑，磨损机制为黏着磨损及磨粒磨损；当对磨副为弹簧时磨痕上存在明显的沟壑并有少量的剥落现象，磨损机制为磨粒磨损。对于Cr涂层包壳，在两种对磨副下磨损机理均为磨粒磨损，并且当对磨副为刚凸时Cr涂层包壳表面几乎未发生磨损。

关键词： Zr-1Nb合金 Cr涂层燃料格架磨损

Cr涂层锆合金事故容错燃料包壳材料研究进展

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表面技术 2023年第12期52卷 206-224页

作者：严俊廖业宏彭振驯王占伟李思功马海滨薛佳祥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

自2011年日本福岛核事故后,事故容错燃料成为核电企业和相关科研机构的研究重点,旨在提升反应堆燃料系统的可靠性与安全性。锆合金包壳表面涂层技术是事故容错燃料研发的短期目标之一,其中,Cr涂层锆合金包壳为当前的主要技术路线。围绕... 详细信息

自2011年日本福岛核事故后,事故容错燃料成为核电企业和相关科研机构的研究重点,旨在提升反应堆燃料系统的可靠性与安全性。锆合金包壳表面涂层技术是事故容错燃料研发的短期目标之一,其中,Cr涂层锆合金包壳为当前的主要技术路线。围绕涂层制备工艺、微观组织以及关键服役性能三方面,对Cr涂层锆合金的相关研究进展进行了综述。首先,对比介绍了锆合金表面金属Cr涂层制备工艺及其特点,涵盖了物理气相沉积、冷喷涂和3D激光熔覆等技术,同步介绍了国际核电巨头所采用的制备工艺及相关研发进展。其次,简单阐述了Cr涂层微观组织特征,重点阐述了正常运行工况下Cr涂层锆合金高温高压水腐蚀性能、高温高压水微动磨蚀性能、高温力学行为和辐照行为,以及事故工况下该材料体系高温内压爆破行为、高温蒸气氧化-淬火行为等,并同步针对其微观辐照机制、高温氧化/腐蚀机制等进行了归纳和深入分析。最后,对当前研究所存在的问题和未来发展方向进行了归纳分析。

关键词：事故容错燃料 Cr涂层锆合金腐蚀氧化力学性能

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UN基事故容错高铀密度核燃料芯块研究进展

材料导报 2023年第S2期37卷 36-47页

作者：陈明周廖业宏郭达禧张显生王继伟任啟森薛佳祥李锐中广核研究院有限公司广东深圳518031

福岛核事故之后,为了提高轻水堆运行的安全性和经济性,高铀密度核燃料芯块(高铀密度芯块)成为事故容错燃料(ATF)的重要研究内容之一。然而,高铀密度芯块应满足的最基本准则、表征其核心性能的有效指标、研发中需要解决的重要问题等关键... 详细信息

福岛核事故之后,为了提高轻水堆运行的安全性和经济性,高铀密度核燃料芯块(高铀密度芯块)成为事故容错燃料(ATF)的重要研究内容之一。然而,高铀密度芯块应满足的最基本准则、表征其核心性能的有效指标、研发中需要解决的重要问题等关键性、基础性问题尚未理清。本文从最初作为ATF燃料的U_(3)Si_(2)的研究进展入手,分析高铀密度芯块研发的内在逻辑,总结出最基本准则及其有效表征指标;从UN基高铀密度芯块的研究进展梳理研发的方向和需要解决的关键问题,为高铀密度芯块开展基础研究、性能实验和关键技术攻关提供有益参考。

关键词：事故容错燃料(ATF) 高铀密度芯块硅化铀(U_(3)Si_(2)) 氮化铀(UN) 准则抗氧化高压釜原位分析

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事故容错燃料用大晶粒UO2芯块研究进展

事故容错燃料用大晶粒UO2芯块研究进展