核電站用纖維保溫材料輻照考驗(yàn)及微觀分析研究

白 冰，林 虎，龔代濤，魚濱濤，佟振峰，楊 文

（1.中國(guó)原子能科學(xué)研究院 反應(yīng)堆工程研究設(shè)計(jì)所，北京 102413；2.中核核電運(yùn)行管理有限公司，浙江 嘉興 314300）

由于核電站反應(yīng)堆內(nèi)的強(qiáng)放射性、高溫等因素的影響，材料的老化速度較一般環(huán)境更快。因此，對(duì)于核電站，材料的抗老化性能十分重要。核電站為了保證運(yùn)行安全，必須長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)堆內(nèi)材料的性能，并對(duì)材料的使用壽命進(jìn)行評(píng)估。長(zhǎng)期以來，核電站一直將受到大量輻照的承壓部件作為監(jiān)督的重點(diǎn)，近年來隨著核電的不斷發(fā)展，人們開始意識(shí)到其他堆內(nèi)材料的使用壽命問題。Candu型反應(yīng)堆是我國(guó)引進(jìn)的先進(jìn)堆型，它在堆內(nèi)大量使用耐高溫的復(fù)合硅酸鹽纖維材料作為保溫層。同其他材料一樣，耐高溫的復(fù)合硅酸鹽纖維由于受到高溫和高能射線的長(zhǎng)時(shí)間作用，材料本身會(huì)發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)的變化，從而導(dǎo)致性能的劣化。根據(jù)核電站的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，在纖維保溫層使用一定年限后，其最表面的纖維布會(huì)發(fā)生破損［1］。這將直接造成內(nèi)部纖維的外泄，并污染堆內(nèi)環(huán)境，因此，對(duì)核電站用纖維保溫材料進(jìn)行完整性評(píng)估十分必要。本工作對(duì)秦山提供的國(guó)產(chǎn)纖維布材料進(jìn)行不同劑量水平的加速輻照，研究溫度對(duì)未輻照保溫纖維布的拉伸性能的影響，并通過掃描電鏡等微觀分析手段，分析輻照劑量和溫度對(duì)該纖維布結(jié)構(gòu)和成分的影響。

1 試驗(yàn)材料及試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料

本次試驗(yàn)用材料為秦山第三核電有限公司提供的國(guó)產(chǎn)纖維布材料。試驗(yàn)用纖維布試樣根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)《玻璃纖維拉伸斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長(zhǎng)的測(cè)定》（GB／T 7689.5—1995）規(guī)定的Ⅱ型試樣制備［2］。其具體尺寸形狀如圖1所示。

圖2為纖維布試樣宏觀照片（圖2a為緯向試樣，圖2b為經(jīng)向試樣）。其中試樣中間部分為有效段，兩端為測(cè)試時(shí)夾持段。夾持段涂有粘結(jié)劑，以防止試驗(yàn)時(shí)試樣脫絲或滑動(dòng)等現(xiàn)象造成試驗(yàn)數(shù)據(jù)無效。

圖1 纖維布試樣尺寸Fig.1 Size of fiber cloth sample

圖2 纖維布試樣宏觀照片F(xiàn)ig.2 Photo macrograph of fiber cloth sample

1.2 試驗(yàn)方法

1）輻照試驗(yàn)

根據(jù)中子和γ輻射劑量的要求［3-4］，選擇了49-2游泳池式反應(yīng)堆內(nèi)反射層的垂直孔道進(jìn)行輻照試驗(yàn)。由于該反應(yīng)堆現(xiàn)有的輻照孔道均為濕孔道，無法滿足本次試驗(yàn)的溫度和中子注量要求，因此，設(shè)計(jì)加工一根φ125mm×4mm 的干孔道，以滿足試驗(yàn)要求。為了能準(zhǔn)確模擬保溫塊樣品的堆內(nèi)服役工況，設(shè)計(jì)加工一套帶控溫系統(tǒng)的輻照裝置，保證輻照期間樣品的溫度為設(shè)定溫度（260℃）。輻照孔道的相關(guān)參數(shù)列于表1。

孔道編號(hào) 類型 直徑／mm 允許裝載直徑／mm γ照射量率／（Gy·s-1）熱中子注量率／（cm-2·s-1）中子照射量率／（Gy·s-1）γ本底照射量率／（Gy·s-1）5＃垂直孔道 干孔道 125 110 6.35×1012 242.87 0.772 243.06

根據(jù)工作環(huán)境中屏蔽保溫塊的γ輻射吸收劑量率（300 mGy／h）與中子輻射吸收劑量率（120mGy／h）的比例關(guān)系，6a的輻照劑量，中子累積吸收劑量為6 307.2Gy，γ累積吸收劑量為15 768Gy；8a的輻照劑量，中子累積吸收劑量為8 409.6Gy，γ累積吸收劑量為21 024Gy。輻照溫度為260 ℃。

由于49-2反應(yīng)堆不能滿足上述γ照射量與中子照射量比值，因此采用兩種射線分別累加的方式進(jìn)行輻照。輻照樣品置入孔道中后，開堆先進(jìn)行中子輻照，滿足中子累積吸收劑量后停堆進(jìn)行γ輻照，待γ輻射累積吸收劑量滿足要求后從堆內(nèi)取出。

2）輻照溫度控制

為能準(zhǔn)確模擬保溫塊樣品的堆內(nèi)服役工況，設(shè)計(jì)加工一套帶控溫系統(tǒng)的輻照裝置（圖3），并在輻照裝置中大量使用金屬隔板輔助導(dǎo)熱，保證輻照期間樣品的溫度為設(shè)定溫度（260℃）。

圖3 入堆加速輻照考驗(yàn)試驗(yàn)輻照裝置剖視圖Fig.3 Sectional view of irradiation device for accelerated irradiation test in reactor

輻照試驗(yàn)前，將所有樣品放入輻照裝置的電加熱容器內(nèi)，加熱到260 ℃，待溫度完全穩(wěn)定后將裝置放入堆芯，然后啟動(dòng)反應(yīng)堆到需求功率開始輻照試驗(yàn)。由固定在樣品中心的熱電偶測(cè)量并控制樣品的溫度。根據(jù)試驗(yàn)記錄，在整個(gè)輻照試驗(yàn)過程中，樣品中心最大溫度波動(dòng)為-4 ℃。

1.3 性能測(cè)試及顯微結(jié)構(gòu)表征

所有試樣輻照前后力學(xué)性能試驗(yàn)是在CMT6104微機(jī)控制萬能電子試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行的。試驗(yàn)機(jī)精度等級(jí)0.5 級(jí)，拉伸速率范圍0.001～500 mm／min，最大試驗(yàn)力10kN。自主研發(fā)接觸式高溫爐最高溫試驗(yàn)溫度500 ℃，控溫精度±5 ℃。

選取不同條件下的試樣分別進(jìn)行掃描電鏡（SEM），能量色散X 射線光譜（EDS）及X 射線衍射分析（XRD）的表征。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 斷裂強(qiáng)力試驗(yàn)結(jié)果與分析

對(duì)非放的經(jīng)向纖維布（室溫）、非放的緯向纖維布（室溫、80、140、200、260、320℃）均進(jìn)行斷裂強(qiáng)力試驗(yàn)［5］。經(jīng)向纖維布的斷裂強(qiáng)力略低于緯向纖維布的試驗(yàn)結(jié)果（表2）。根據(jù)多溫度下的試驗(yàn)結(jié)果（圖4），纖維布斷裂強(qiáng)力隨溫度升高呈先升高，后降低的趨勢(shì)。從室溫到100 ℃隨溫度升高斷裂強(qiáng)力也不斷上升；當(dāng)試驗(yàn)溫度超過100 ℃后斷裂強(qiáng)力開始下降；試驗(yàn)溫度達(dá)260 ℃時(shí)斷裂強(qiáng)力下降趨勢(shì)開始趨于緩和。可知該保溫纖維布在高溫環(huán)境下，力學(xué)性能會(huì)有一定程度的下降。

試驗(yàn)樣品 輻照劑量水平 試驗(yàn)溫度 斷裂強(qiáng)力／N經(jīng)向纖維布 未輻照 室溫 2 455±267緯向纖維布 未輻照 室溫2 746±464

圖4 未輻照纖維布斷裂強(qiáng)力隨溫度的變化Fig.4 Fracture force of un-irradiated fiber cloth under different temperatures

2.2 顯微結(jié)構(gòu)表征及分析

在SEM 顯微觀察中，對(duì)未進(jìn)行拉伸試驗(yàn)的纖維布進(jìn)行纖維表面的形貌觀察（圖5），對(duì)拉斷的試驗(yàn)樣品進(jìn)行斷口形貌的顯微觀察，結(jié)果示于圖6～7。

從圖5可看出，輻照對(duì)保溫棉材料的表面形貌影響不明顯。輻照前后，纖維表面均比較平整光滑，有少量的突起和凹坑，應(yīng)為試樣加工后留下的損傷。

圖6為輻照前后試樣在室溫下拉伸后的斷口形貌圖?？煽闯?，纖維在室溫下拉伸后均表現(xiàn)為明顯的脆性斷口，8a累積劑量水平的試樣斷面上出現(xiàn)了明顯的放射狀花樣。輻照后的試樣斷面上能觀察到少量的孔洞，但不排除是試樣本身加工后形成的缺陷。

圖7為輻照前后試樣在260 ℃下拉伸后的斷口形貌圖?？煽闯觯w維在260℃下拉伸后均表現(xiàn)為明顯的脆性斷口。斷口干凈較平整，無明顯孔洞。輻照前后，試樣的斷口均有少量的放射狀花樣。目測(cè)高溫下斷口較室溫下的平整，脆性更明顯。這與前面所述高溫環(huán)境下，保溫纖維布的力學(xué)性能有一定程度下降的趨勢(shì)相符。

為分析輻照對(duì)材料成分的影響，本文對(duì)纖維表面進(jìn)行EDS 成分分析，分析結(jié)果列于表3。

由表3可看出，輻照前后，纖維布表面主要元素含量變化均不明顯，輻照后僅O 含量略微增加，Si含量略微下降。因此，輻照對(duì)纖維的成分幾乎無影響。

為觀察纖維布結(jié)構(gòu)是否受輻照影響而發(fā)生非晶向晶化的轉(zhuǎn)變，分別對(duì)輻照前后未拉伸的樣品進(jìn)行XRD 表征（圖8）?？煽闯觯w維布為典型的非晶結(jié)構(gòu)，輻照后，結(jié)構(gòu)上無明顯變化。但可發(fā)現(xiàn)，相對(duì)于未輻照的試樣，輻照后試樣的峰位均發(fā)生了左移，且峰寬變窄?？赏茰y(cè)，輻照后該纖維布材料有少量非晶晶化的產(chǎn)生。

3 結(jié)論

1）在49-2游泳池式反應(yīng)堆中完成所有纖維布試樣輻照試驗(yàn)，達(dá)到材料服役6a累積劑量，試樣輻照劑量測(cè)量值為：中子累積照射量6 307.2Gy，γ累積照射量15 768Gy；達(dá)到材料服役8a累積劑量，試樣輻照劑量測(cè)量值為：中子 累 積 照 射 量8 409.6Gy，γ 累 積 照 射 量21 024Gy。

w／%輻照水平O Na Mg Al Si Ca未輻照 54.94 6.75 1.74 2.21 19.87 7.1 6a累積劑量 61.01 6.94 1.5 1.85 16.57 6.53 8a累積劑量57.59 8.03 1.61 1.87 15.67 7.16

圖8 不同輻照劑量水平的纖維布基體XRD 試驗(yàn)結(jié)果Fig.8 XRD result of fiber cloth with different doses

2）經(jīng)輻照后，纖維布在室溫和260 ℃溫度下的力學(xué)性能有不同程度的下降；根據(jù)多溫度下的試驗(yàn)結(jié)果，緯向纖維布斷裂強(qiáng)力隨溫度升高呈先升高，后降低的趨勢(shì)。

3）通過SEM 顯微觀察可知，輻照對(duì)于保溫材料的表面形貌影響不明顯。

4）EDS成分分析結(jié)果顯示，輻照未明顯改變纖維的成分；XRD 試驗(yàn)結(jié)果顯示纖維布為典型的非晶結(jié)構(gòu)，輻照前后材料有少量非晶晶化的趨勢(shì)。

［1］ 林虎，寧廣勝，佟振峰，等.核電站用玻璃纖維保溫材料耐輻照試驗(yàn)［C］∥2013 年核電廠老化與壽命管理研討會(huì)會(huì)議論文集.［出版地不詳］：［出版者不詳］，2013：99-104.

［2］ 李峻青，徐用軍，張懷志.γ射線輻照對(duì)碳纖維及其復(fù)合材料力學(xué)性能的影響［J］.合成纖維，2006（4）：31-33.LI Junqing，XU Yongjun，ZHANG Huaizhi.The effect on mechanical properties of carbon fiber and composite material under γ-irradiation［J］.Synthetic Fiber，2006（4）：31-33（in Chinese）.

［3］ HEATHER L P，KENNETH R D.Comparison of thermal insulation performance of fibrous materials for the advanced space suit［J］.Journal of Biomechanical Engineering，2003，125（5）：639-647.

［4］ AJIT S.Radiation processing of carbon fiber-reinforced advanced composites［J］.Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B，2001，185：50-54.

［5］ 邱軍，張志謙.輻照APMOC 纖維對(duì)其復(fù)合材料力學(xué)性能的影響［J］.纖維復(fù)合材料，2000（3）：21-23.QIU Jun，ZHANG Zhiqian.The effect on mechanical properties of APMOC fiber and composite material under irradiation［J］.Fiber Composite Material，2000（3）：21-23（in Chinese）.