不同燃料包殼在高溫高壓水中的表面腐蝕產(chǎn)物沉積行為研究

嚴(yán)亞倫，胡藝嵩，馮英杰

不同燃料包殼在高溫高壓水中的表面腐蝕產(chǎn)物沉積行為研究

嚴(yán)亞倫，胡藝嵩*，馮英杰

（中廣核研究院有限公司，廣東 深圳 518000）

壓水堆一回路材料腐蝕產(chǎn)物在燃料包殼表面沉積會形成燃料污垢。燃料污垢可能引起垢致軸向功率偏移（Crud Induced Power Shift，CIPS）和包殼垢致局部腐蝕（Crud Induced Localized Corrosion，CILC）。腐蝕產(chǎn)物的沉積與燃料包殼表面特性相關(guān)，例如表面粗糙度等。Cr涂層鋯合金是一種典型的事故容錯(cuò)燃料（Accident Tolerant Fuel，ATF）包殼。Cr涂層可能改變鋯合金包殼表面的特性，進(jìn)而改變腐蝕產(chǎn)物在燃料包殼表面的沉積行為。本論文通過試驗(yàn)研究了鋯合金包殼和Cr涂層鋯合金包殼在高溫高壓水中的表面腐蝕產(chǎn)物沉積行為。試驗(yàn)后采用掃面電子顯微鏡（Scanning Electric Microscope，SEM）對污垢的表面和截面的形貌和成分進(jìn)行分析。結(jié)果表明，Cr涂層鋯合金包殼表面污垢成分含有Cr元素；Cr涂層鋯合金包殼表面污垢無明顯煙囪狀結(jié)構(gòu)，鋯合金包殼表面煙囪狀結(jié)構(gòu)明顯，且煙囪面密度約為127個(gè)/mm2；Cr涂層鋯合金包殼表面污垢平均厚度比鋯合金包殼表面的污垢厚度減小約6 μm。

壓水堆；腐蝕產(chǎn)物；燃料包殼；污垢；Cr涂層鋯合金包殼

燃料污垢可能會引起垢致軸向功率偏移（Crud Induced Power Shift，CIPS）和包殼垢致局部腐蝕（Crud Induced Localized Corrosion，CILC）。燃料污垢由一回路腐蝕產(chǎn)物在燃料包殼表面沉積所形成[1,2]。燃料污垢的沉積與燃料包殼表面的特征相關(guān)，例如表面粗糙度等。Cr涂層鋯合金包殼是一種典型的事故容錯(cuò)燃料（Accident Tolerant Fuel，ATF）包殼[3-6]。在高溫高壓水環(huán)境下，Cr涂層鋯合金的氧化速率低于鋯合金[7]。Cr涂層可能改變鋯合金包殼的表面特征，因此Cr涂層也可能影響燃料污垢的形成。目前國內(nèi)外對Cr涂層鋯合金包殼燃料污垢沉積試驗(yàn)的研究情況暫時(shí)缺少公開文獻(xiàn)。

本文以鋯合金和Cr涂層鋯合金為研究對象，開展了高溫高壓動(dòng)水回路中的污垢沉積實(shí)驗(yàn)。通過對兩種包殼表面的燃料污垢的形貌和成分的對比分析發(fā)現(xiàn)，Cr涂層鋯合金包殼表面污垢成分相較于鋯合金包殼表面污垢成分增加了Cr元素。Cr涂層鋯合金包殼表面污垢無明顯煙囪狀結(jié)構(gòu)，而鋯合金包殼表面煙囪狀結(jié)構(gòu)明顯，且煙囪面密度約為127個(gè)/mm2。Cr涂層鋯合金包殼表面污垢平均厚度比鋯合金包殼表面的污垢厚度減少約6 μm。研究表明Cr涂層鋯合金包殼相較于鋯合金包殼在緩解污垢。

1　試驗(yàn)材料

1.1　宏觀形貌

試驗(yàn)所用燃料包殼管材料為鋯合金和Cr涂層鋯合金。兩種包殼管材的原始狀態(tài)宏觀形貌如圖1所示。經(jīng)過測量得到，鋯合金管外表面的面粗糙度約為0.23 μm，Cr涂層鋯合金管外表面的面粗糙度約為0.32 μm。

圖1　包殼管材原始狀態(tài)宏觀形貌

圖1　包殼管材原始狀態(tài)宏觀形貌（續(xù)）

1.2　材料成分

鋯合金包殼的主要成分如表1所示。Cr涂層鋯合金包殼即在鋯合金包殼上覆蓋了一層Cr金屬涂層。

表1　鋯合金包殼成分

1.3　取樣方法

將兩種燃料包殼截取為每段15 cm，端面打磨至2000#砂紙。采用焊接的方式將燃料包殼焊接到轉(zhuǎn)接頭上，底部同樣采用焊接實(shí)現(xiàn)密封。由于鈦在高溫高壓水環(huán)境中具有較好的耐蝕性，試驗(yàn)中選取鈦焊絲進(jìn)行焊接。焊接的熱影響區(qū)域在10 mm以內(nèi)，試驗(yàn)段距離焊接部位超過20 mm，因此不會對試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響。此外，焊接過程中不會損傷樣品表面，不會對樣品的表面狀態(tài)產(chǎn)生影響。燃料包殼取樣示意圖如圖2所示。轉(zhuǎn)接頭與高壓釜連接實(shí)現(xiàn)密封。

2　試驗(yàn)參數(shù)及裝置

2.1　試驗(yàn)參數(shù)

為了模擬壓水堆核電廠一回路服役水環(huán)境[8-10]（考慮注鋅），試驗(yàn)參數(shù)如表2所示。

表2　試驗(yàn)參數(shù)

2.2　試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置由高溫高壓循環(huán)水回路、高壓釜、控制系統(tǒng)等組成，裝置結(jié)構(gòu)如圖3所示。其中水循環(huán)系統(tǒng)控制試驗(yàn)回路中的水質(zhì)、流量及系統(tǒng)壓力，管道材質(zhì)為不銹鋼；預(yù)熱器、換熱器、加熱器及高壓釜保證試驗(yàn)回路中的溫度、介質(zhì)環(huán)境及密封，其材質(zhì)為316不銹鋼；控制系統(tǒng)調(diào)整和控制整個(gè)試驗(yàn)回路系統(tǒng)的溫度、壓力和密封性能，保證長期試驗(yàn)安全穩(wěn)定。

圖3　試驗(yàn)裝置示意圖

3　試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析與處理

試驗(yàn)前和每次取樣后采用分析天平對樣品進(jìn)行稱重，測量精度為0.000 1 g。測量過程中均進(jìn)行三次測量，取平均值作為最終測量結(jié)果。

試驗(yàn)后采用體式顯微鏡對污垢的宏觀形貌進(jìn)行觀察，采用掃描電子顯微鏡（Scanning Electric Microscope，SEM）對污垢的表面和截面的形貌成分等進(jìn)行分析。獲得污垢的表面和截面形貌后，對煙囪數(shù)量、尺寸、污垢厚度等參數(shù)進(jìn)行分析，獲得相應(yīng)數(shù)據(jù)[11]。

利用SEM對污垢的表面形貌進(jìn)行微觀分析，獲得表面的微觀照片后進(jìn)行識別，對樣品表面污垢進(jìn)行孔隙率分析。

污垢厚度分析位置選取示意圖如圖4所示，間隔90°選取厚度測量位置，共選取4個(gè)位置進(jìn)行測量。每個(gè)位置的截面照片中間隔10 μm測量污垢厚度，污垢的平均厚度為4個(gè)位置照片中所有測量結(jié)果的平均值。

圖4　污垢厚度分析位置選取示意圖

4　試驗(yàn)結(jié)果

4.1　加熱段污垢表面形貌

兩種包殼樣品加熱段污垢宏觀形貌如圖5所示。相較于圖1，圖5中兩種包殼樣品表面均觀察到了明顯的污垢覆蓋。

通過SEM觀察兩種包殼樣品加熱段污垢表面微觀形貌如圖6所示。鋯合金包殼樣品表面觀察到了明顯的煙囪狀特征，而Cr涂層鋯合金包殼樣品表面煙囪狀特征不顯著。

圖5　加熱段污垢宏觀形貌

圖6　加熱段污垢表面微觀形貌

（b）Cr涂層鋯合金管

4.2　加熱段污垢成分分析

兩種包殼樣品加熱段污垢中的主要元素含量如圖7所示。

圖7　加熱段污垢主要元素含量

由圖7可知，鋯合金包殼表面和Cr涂層鋯合金包殼表面污垢中的主要元素均含有O、Fe、Ni和Zn。Cr涂層鋯合金表面污垢還含有約1%原子數(shù)量的Cr。

4.3　加熱段污垢煙囪面密度

選取3張鋯合金包殼樣品加熱段污垢表面SEM照片，分析污垢的煙囪數(shù)量。燃料包殼表面煙囪的面密度統(tǒng)計(jì)方式如圖8所示，圖8中使用圓圈標(biāo)記煙囪的位置。煙囪的面密度為整個(gè)圖片中所有的煙囪數(shù)量與圖片面積的比值。最終煙囪的面密度取3張照片統(tǒng)計(jì)結(jié)果的平均值。

圖8　鋯合金包殼加熱段污垢煙囪面密度統(tǒng)計(jì)

表3為圖8中3張照片的煙囪面密度的測量值。3張照片的煙囪面密度的平均值約為127個(gè)/mm2。

表3　鋯合金包殼加熱段污垢煙囪面密度統(tǒng)計(jì)

由于Cr涂層鋯合金包殼加熱段污垢表面煙囪特征不明顯，故未進(jìn)行煙囪面密度統(tǒng)計(jì)。

4.4　加熱段污垢截面形貌及厚度測量

4.4.1鋯合金包殼表面污垢

圖9為鋯合金燃料包殼加熱段污垢的截面形貌，最外側(cè)為鑲料，用以防止截面樣品制備過程中污垢脫落。鑲料不會對污垢分析結(jié)果產(chǎn)生影響。污垢截面靠近基體位置觀察到了煙囪，且煙囪呈曲折狀特征，如圖10橢圓線框標(biāo)識處所示。

圖9　鋯合金燃料包殼加熱段污垢截面形貌

圖10　鋯合金燃料包殼加熱段污垢煙囪形貌

污垢厚度測量按照圖4所示位置選取4個(gè)位置進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。圖11為污垢厚度統(tǒng)計(jì)的照片，間隔10 μm進(jìn)行污垢厚度測量，最后取所有測量結(jié)果的平均值作為污垢的平均厚度。測量的污垢平均厚度約為26 μm。

圖11　加熱段污垢厚度分析

4.4.2Cr涂層鋯合金包殼表面污垢

圖12為Cr涂層鋯合金燃料包殼加熱段污垢的截面形貌，最外側(cè)為鑲料。圖13為試驗(yàn)前后涂層的對比圖，可見試驗(yàn)后涂層由單層轉(zhuǎn)變?yōu)閮蓪樱ㄑ趸瘜雍臀囱趸瘜樱?，氧化層約占涂層總厚度的50%。氧化層主要為Cr的氧化物，非氧化區(qū)與試驗(yàn)前涂層成分一致，主要為Cr元素。

圖12　Cr涂層鋯合金燃料包殼加熱段污垢截面形貌

圖13　Cr涂層鋯合金燃料包殼試驗(yàn)前后對比

Cr涂層鋯合金包殼表面污垢厚度測量方法與鋯合金包殼表面污垢厚度測量方法一致。圖14為用于污垢厚度統(tǒng)計(jì)的照片。測量得到Cr涂層鋯合金包殼表面污垢的平均厚度約為20 μm。

圖14　加熱段污垢厚度分析

5　結(jié)論

本文通過對鋯合金包殼和Cr涂層鋯合金包殼在高溫高壓水中的表面腐蝕產(chǎn)物沉積行為研究發(fā)現(xiàn)：

（1）Cr涂層鋯合金包殼表面污垢成分相較于鋯合金包殼表面污垢成分增加了涂層成分Cr元素。

（2） Cr涂層鋯合金包殼表面污垢無明顯煙囪狀結(jié)構(gòu)，鋯合金包殼表面煙囪狀結(jié)構(gòu)明顯，且煙囪面密度約為127個(gè)/mm2。

（3） Cr涂層鋯合金包殼表面污垢平均厚度比鋯合金包殼表面的污垢厚度減小約6 μm。在該模擬一回路水環(huán)境中，Cr涂層鋯合金包殼相較于鋯合金包殼能夠減少污垢沉積。

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Study on the Deposition Behavior of Surface Corrosion Products of Different Fuel Cladding in High Temperature and High Pressurized Water

YAN Yalun，HU Yisong*，F(xiàn)ENG Yingjie

（China Nuclear Power Technology Research Institute Co.，Ltd，Shenzhen of Guangdong Prov.，China，518000）

The deposition of corrosion products of primary circuit materials of PWR on the surface of fuel cladding will form fuel crud. The fuel crud may cause crud induced power shift (CIPS) and crud induced local corrosion (CILC). The deposition of corrosion products is related to the surface characteristics of fuel cladding, such as surface roughness. The Cr-coated-Zr cladding is a typical kind of accident tolerant fuel (ATF) cladding. The Cr coating may change the characteristics of the Zr cladding surface, and then change the deposition behavior of corrosion products on the fuel cladding surface. In this paper, the deposition behavior of corrosion products on the surface of the Zr cladding and Cr-coated-Zr cladding in high temperature and high pressurized water was studied by experiment. After the experiment, the morphology and composition of the crud surface and section were analyzed by scanning electron microscope (SEM). The results showed that the crud on the surface of the Cr-coated-Zr cladding contained Cr; there was no obvious chimney-like structure on the surface of the Cr-coated-Zr cladding, but the chimney-like structure on the surface of the Zr cladding was obvious, and the chimney surface density was about 127/mm2; the average crud thickness on the surface of the Cr-coated-Zr cladding was about 6 μm less than that on the surface of the Zr cladding.

PWR; Corrosion products; Fuel cladding; Crud; Cr-coated-Zr cladding

TL341

A

0258-0918（2022）06-1260-08

2022-03-12

國家自然科學(xué)基金（U20B0211，針對堆芯氧化腐蝕產(chǎn)物材料-熱工-中子行為的多物理耦合機(jī)理）；國家自然科學(xué)基金（52171085，模擬壓水堆一回路冷卻劑中燃料包殼管表面污垢沉積行為與機(jī)理研究）

嚴(yán)亞倫（1992—），男，湖北天門人，工程師，碩士，現(xiàn)主要從事反應(yīng)堆熱工水力及燃料污垢研究

胡藝嵩，E-mail：huyisong@cgnpc.com.cn