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固态堆芯非对称热应力耦合试验研究

核动力工程 2025年第1期46卷 152-159页

作者：王严培唐昌兵李权李涛李晨曦秋博文范航李垣明中国核动力研究设计院核反应堆技术全国重点实验室成都610213 西南交通大学成都610031

非对称分布热应力耦合导致的燃料与基体相互作用是固态堆芯反应堆分析的关键问题,本研究采用数值模拟与试验相结合的方法,开发了分布式冷源和热源加载方式,对典型结构固态堆芯燃料元件开展了高温下热应力耦合模拟与试验研究。研究结果表... 详细信息

非对称分布热应力耦合导致的燃料与基体相互作用是固态堆芯反应堆分析的关键问题,本研究采用数值模拟与试验相结合的方法,开发了分布式冷源和热源加载方式,对典型结构固态堆芯燃料元件开展了高温下热应力耦合模拟与试验研究。研究结果表明,试验测得的高温应变场与数值模拟结果较为接近,堆芯燃料基体在350℃温差下无失效风险,本研究建立的非对称分布式冷源和热源热应力耦合数值预测方法和试验技术能够用于固态堆芯反应堆非对称热应力分布研究,低温差下燃料元件基体无失效风险。

关键词：固态堆芯非对称热应力分布试验数值模拟

锆合金燃料包壳Cr基涂层的微观结构及微动磨损性能

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中国表面工程 2025年

作者：余建国李正阳宁闯明余施佳蔡振兵西南交通大学摩擦学研究所中国核动力研究设计院核反应堆系统设计技术重点实验室

压水堆（Pressurized water reactors， PWRs）内流致振动（Flow induced vibration， FIV）导致的定位格架与燃料棒之间的微动磨损（Grid-to-rod fretting， GTRF）是压水堆燃料包壳失效的主要原因，它可能导致燃料包壳破损，进而引发... 详细信息

压水堆（Pressurized water reactors， PWRs）内流致振动（Flow induced vibration， FIV）导致的定位格架与燃料棒之间的微动磨损（Grid-to-rod fretting， GTRF）是压水堆燃料包壳失效的主要原因，它可能导致燃料包壳破损，进而引发放射性物质泄漏等一系列严重事故的发生。Cr基涂层作为事故容错燃料（Accident tolerant fuel， ATF）包壳最有发展前景的候选涂层之一，其微动磨损性能研究对于提升核反应堆的安全性、效率和应对复杂服役环境挑战具有重要意义。采用磁控溅射工艺在锆合金表面制备了Cr、CrN、CrAlN和CrAlSiN等四种涂层，分析了涂层的微观结构和物相组成。开展微动磨损试验，探究了锆合金及不同涂层的微动磨损性能及磨损机理。结果表明：不同涂层表面有金属熔滴形成的颗粒物，表面结构致密且硬度相较于锆合金基体更高，其中，CrN涂层表面最为光滑，粗糙度仅为0.10 μm。不同涂层的磨损深度及磨损率相较于锆合金均显著降低，CrN涂层和CrAlSiN涂层磨损程度近似且最轻，其磨损率约为锆合金的1/7，磨损深度约为锆合金的1/5。综合该两种涂层的表面完整性及耐磨损性能，CrN涂层更优。锆合金磨损机制主要为粘着磨损、磨粒磨损和腐蚀磨损，而不同涂层的磨损机制主要为磨粒磨损和腐蚀磨损。以上研究成果对于提升ATF材料性能、揭示磨损机制以及推动技术创新与应用的起到重要作用。

关键词： Cr基涂层锆合金微观结构微动磨损磨损机理

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超临界水冷堆候选包壳材料研究进展与思考

核动力工程 2025年第1期46卷 183-190页

作者：张乐福黄涛苏豪展高阳郭相龙沈朝陈凯上海交通大学核科学与工程学院上海200240 中国原子能科学研究院北京102413 中国核动力研究设计院核反应堆系统设计技术重点实验室成都610213 上海交通大学材料科学与工程学院上海200240

超临界水冷堆(SCWR)具有热效率高、结构简单等技术优势,是第四代核能系统国际论坛推荐的6个堆型之一。本文首先回顾了SCWR的包壳设计要求和主要性能挑战,然后对经过较多测试的商用候选包壳材料的均匀腐蚀、应力腐蚀及辐照性能进行了回... 详细信息

超临界水冷堆(SCWR)具有热效率高、结构简单等技术优势,是第四代核能系统国际论坛推荐的6个堆型之一。本文首先回顾了SCWR的包壳设计要求和主要性能挑战,然后对经过较多测试的商用候选包壳材料的均匀腐蚀、应力腐蚀及辐照性能进行了回顾。铁素体/马氏体(F/M)钢、奥氏体不锈钢及镍基合金均存在某方面的性能不足。最后,介绍了近年来新兴的SCWR候选包壳材料,包括新型含铝奥氏体不锈钢、氧化物弥散强化钢、梯度材料及其他组织改进技术的研究进展。

关键词：超临界水冷堆燃料包壳材料均匀腐蚀应力腐蚀开裂

溶胶凝胶法制备U-Zr-Hf可燃毒物燃料主要影响因素研究

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核动力工程 2019年第5期40卷 79-84页

作者：张嘉李佳康武刘羽彭小明刘锦洪曾诚中国核动力研究设计院核燃料元件及材料研究所

为研制辐照稳定性良好的整体型可燃毒物燃料,采用溶胶凝胶法制备U-Zr-Hf燃料,可实现可燃毒物与燃料的均布。本文研究了溶胶配制、分散胶凝、凝胶球洗涤、还原烧结过程的主要因素对燃料制备及性能的影响。结果表明:金属总离子浓度是在低... 详细信息

为研制辐照稳定性良好的整体型可燃毒物燃料,采用溶胶凝胶法制备U-Zr-Hf燃料,可实现可燃毒物与燃料的均布。本文研究了溶胶配制、分散胶凝、凝胶球洗涤、还原烧结过程的主要因素对燃料制备及性能的影响。结果表明:金属总离子浓度是在低温下导致溶胶粘度增加的主要原因;溶胶内金属离子体系是胶凝过程中影响稳定分散温度的主要因素;洗液与凝胶球体积比直接影响洗涤效果;烧结温度的增加促进了燃料的致密化,从U-Zr-Hf燃料的金相磨面照片可看出燃料表观完整,无破裂,内部致密。

关键词： U-Zr-Hf可燃毒物燃料溶胶胶凝溶胶凝胶法烧结

冷轧变形量对Fe-11Cr-5Al-2Mo合金显微组织和力学性能的影响

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核动力工程 2024年第S01期45卷 159-166页

作者：王馨敏王玉容吴裕潘钱付姚力夫徐祺中国核动力研究设计院核燃料元件及材料研究所成都610213

为掌握Fe-11Cr-5Al-2Mo合金冷变形规律,并为其包壳管材研制提供基础数据和理论依据。开展了不同冷轧变形量的Fe-11Cr-5Al-2Mo合金板材轧制实验,对冷轧后的板材在800℃下进行了1 h退火,并对冷轧板材及退火板材的显微组织演变进行了表征,... 详细信息

为掌握Fe-11Cr-5Al-2Mo合金冷变形规律,并为其包壳管材研制提供基础数据和理论依据。开展了不同冷轧变形量的Fe-11Cr-5Al-2Mo合金板材轧制实验,对冷轧后的板材在800℃下进行了1 h退火,并对冷轧板材及退火板材的显微组织演变进行了表征,通过室温拉伸试验评价了Fe-11Cr-5Al-2Mo合金的强度和塑性。Fe-11Cr-5Al-2Mo合金板材的变形态组织随着冷轧变形量的增大而拉长,板材的强度随着冷轧变形量的增大而增大。800℃退火1 h后,50%冷轧变形量的板材获得了最细小、均匀的再结晶组织,并且具有良好的韧塑性配合。本文阐明了合金冷轧变形量-组织-性能之间的关系,为Fe-11Cr-5Al-2Mo合金管材冷轧变形量设计和退火工艺研究提供了参考。

关键词： Fe-11Cr-5Al-2Mo合金冷轧变形力学性能显微组织

烧结温度对U-Hf可燃毒物燃料微观结构及物相组成的影响

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核动力工程 2020年第4期41卷 91-96页

作者：张嘉汪新杰彭小明刘锦洪孙超康武曾诚李佳中国核动力研究设计院核燃料元件及材料研究所成都610213

通过扫描电镜、能谱分析、X射线衍射仪(XRD)等方法研究了烧结温度对U-Hf(含25 wt%HfO2,wt%表示质量百分比)可燃毒物燃料的物理性能、微观形貌及物相组成等的影响,结果表明:①经干燥煅烧处理后的U-Hf燃料的烧结活性良好,通过烧结可有效... 详细信息

通过扫描电镜、能谱分析、X射线衍射仪(XRD)等方法研究了烧结温度对U-Hf(含25 wt%HfO2,wt%表示质量百分比)可燃毒物燃料的物理性能、微观形貌及物相组成等的影响,结果表明:①经干燥煅烧处理后的U-Hf燃料的烧结活性良好,通过烧结可有效促进燃料的致密化,在1550℃烧结温度以上,燃料的密度增加幅度较小;②烧结后的U-Hf晶体呈现以UO2固溶体为基体晶粒和弥散在基体晶粒中的第二相小晶粒的形式,第二相小晶粒是Hf含量高于化学计量的固溶体;随着烧结温度的升高,小晶粒逐渐粗化,数量变少;③在大于1550℃烧结温度下,HfO2晶体发生单斜-四方相相变,但是升高温度至1750℃时,单斜相HfO2晶体未完全相变成为四方相,也没有完全固溶进入UO2主相中。

关键词：烧结温度 U-Hf 可燃毒物燃料微观形貌物相组成

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镁基固态储氢材料宏量制备关键装备研制

洁净煤技术 2025年

作者：宋飞飞郑越孙启明李昱李宗书赵阳王彦皓张倩倩中核北方核燃料元件有限公司反应堆辐射特种靶件制备工艺重点实验室清华大学中国海洋工程研究院(青岛)

氢能是一种清洁的绿色能源，被誉为人类的“终极能源”。氢能的关键在于储氢，在众多储氢方式中，镁基固态储氢具有储氢密度高、可逆性好、安全性高、环境又好等优点，是最具大规模推广应用前景的储氢材料之一。因其制备工艺苛刻，安全... 详细信息

氢能是一种清洁的绿色能源，被誉为人类的“终极能源”。氢能的关键在于储氢，在众多储氢方式中，镁基固态储氢具有储氢密度高、可逆性好、安全性高、环境又好等优点，是最具大规模推广应用前景的储氢材料之一。因其制备工艺苛刻，安全生产风险高，目前，国内外大部分研发机构采用高压气体吸附仪器制备镁基固态储氢材料，该设备批次产量为克级，无法满足工业化宏量制备的需求。工业化宏量制备装备研制技术指标要求高，需严格控制氢脆、氢腐蚀、氢气泄露、氢气爆炸、镁粉着火、镁粉爆炸等安全风险，因此对镁基固态储氢材料反应原理进行分析，对设备部件结构及材料进行详细设计和论证，有效控制高温高压下氢气对设备结构件的氢脆和氢腐蚀作用。研制非标专用安全装置，设置惰性气体保护功能和冗余安全联锁控制措施等，有效控制反应放热量大、氢气泄露、镁基粉末着火等安全风险。通过以上措施，保证了装备的安全可靠性，满足了宏量制备镁基固态储氢材料的反应要求，最终研制出首台套宏量制备镁基固态储氢材料的关键装备，并制备储性能优异的镁基固态储氢材料，为后续大规模批量化制备奠定了基础条件。

关键词：氢能固态储氢镁基固态储氢材料氢脆氢腐蚀

Fe@C改性镁基固态储氢材料宏量制备关键技术研究

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洁净煤技术 2025年

镁基固态储氢具有储氢密度大、安全性高、可逆性好、资源丰富等优点，是最具大规模推广应用前景的储氢材料之一，但其较差的动力学和热力学性能，限制了商业化应用，因此对镁基储氢材料进行改性成为主要研究方向。为研制一种水解性能良... 详细信息

镁基固态储氢具有储氢密度大、安全性高、可逆性好、资源丰富等优点，是最具大规模推广应用前景的储氢材料之一，但其较差的动力学和热力学性能，限制了商业化应用，因此对镁基储氢材料进行改性成为主要研究方向。为研制一种水解性能良好、储氢密度高、适用于特种场景的镁基储氢材料，可通过添加金属合金和催化剂改善材料性能。通过实验室研究，形成一种新型碳化铁复合改性镁基固态储氢材料克级的制备技术，再放大到中试生产线，探索产业化制备的工艺技术。在Mg中添加Ce、Ca、In合金和碳化铁催化剂，可以抑制Mg（OH）2的沉积，促进水解反应。通过添加Ce，起到“氢泵”的作用，促进吸氢反应。通过添加In，降低反应焓变值，调节动力学性能。采用单层多孔Fe@C作为催化剂，可以起到催化、降低焓变值、抑制团聚、促进水解性能等多重调节作用。通过实验对比，摸索到批量化生产Fe@C改性镁基固态储氢材料的制备技术，在压力和温度一定下，氢化6小时，可制备出合格的镁基固态储氢材料。平均水解放氢量1651ml/g，储氢密度7.34wt.% ，平均粒径116μm，产品性能优异，实现镁基固态储氢材料由实验室克级向产业化制备的成果转化。

关键词：镁基粉末镁基固态储氢氢化水解、碳化铁、催化

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铀混合物中铀的定量分析技术

核动力工程 2017年第6期38卷 134-136页

作者：宋强郑玲玲乔洪波廖志海中国核动力研究设计院核燃料元件及材料研究所成都610213

研究了铀混合物中铀的溶样方法、测定方法以及基体的干扰等测定条件,包括:加入氟化铵络合溶液中的基体元素来消除对铀测定的影响。模拟试样的平行测定结果表明:方法的相对标准不确定度优于0.2%;测定的铀含量约为标称值的98.8%。

关键词：铀混合物铀电位滴定