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我國首次實現自主先進核級鋯合金材料工業(yè)化規(guī)模生產

中青在線北京11月24日電（中國青年報·中青在線記者 張均斌）今天，中核集團宣布：我國首個自主研發(fā)的滿足三代核電要求的鋯合金材料——CF3核燃料組件N36鋯合金材料批量化首批產品成功下線通過驗收，其綜合性能指標處于國際先進行列，并啟運發(fā)貨用于CF3核燃料元件制造。這標志著我國打破了國外長期壟斷的“卡脖子”環(huán)節(jié)，在大規(guī)模應用的道路上又邁出堅實一步。 燃料組件是核反應堆的核心，其安全性和可靠性很大程度上取決于鋯合金包殼。鋯合金材料是核反應堆堆芯的關鍵結構材料，作為構成燃料組件的“骨骼”和“皮膚”，鋯合金被稱為核反應堆的“第一道安全屏障”，對于核電站安全穩(wěn)定運行起著重要作用，是評價燃料組件研發(fā)水平的重要指標之一。長期以來，國內核電站燃料組件用鋯合金材料基本依賴進口，鋯合金材料已成為制約我國核燃料產業(yè)發(fā)展的主要瓶頸，是核燃料產業(yè)的主要短板。 據了解，為消除瓶頸、補齊短板，2010年，中核集團重點科技專項“壓水堆元件設計技術”研究啟動，專項明確CF3以新型包殼材料N36鋯合金為突破口，N36鋯合金管棒材研制是專項的主要研究內容。此后，中國核動力院歷時8年，歷經6大階段的技術攻關，成功掌握了具有自主知識產權的完整N36鋯合金工程化制備技術，自2012年首次入堆，經過多批次特征化組件、先導組件的隨堆運行考驗和池邊檢查，證明材料性能優(yōu)異，完全滿足設計要求，具備了批量化應用的條件。 2017年10月23日，西部新鋯與中國核動力院簽訂《N36鋯合金管棒材制造技術轉讓合同》，開啟了自主知識產權核級鋯合金產業(yè)化的新征程。西部新鋯嚴格按照核安全文化、核質保體系要求，成功攻克了鑄錠均勻化熔煉、擠壓感應加熱等技術難題，順利通過了N36鋯合金鑄錠、管坯、管材、棒材的工藝試驗、工藝鑒定及產品鑒定，僅用世界同行業(yè)同類型產品生產時間的1/3，完成了這一重大的科研成果轉換，創(chuàng)造了“新鋯速度”，且各項指標均優(yōu)于技術要求，多項技術填補了國內空白。 中核集團黨組成員、副總經理楊長利，中國工程院院士李冠興等見證了首批產品2400余支N36鋯合金包殼管產品發(fā)運。該產品由中國核動力研究設計院研發(fā)、西部新鋯核材料科技有限公司生產。

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鋯管棒熱處理

在真空度1×10-2～1×10-3 Pa的真空爐內進行。有保護涂層或包皮完整的厚尺寸工件才允許在大氣中快速熱處理。鋯錫合金管棒的中間退火溫度約700℃，再結晶大約始于500℃，于600℃時晶粒明顯變粗。成品管材的消除應力退火為450～500℃，成品管材的再結晶退火為530～600℃。 把鋯錫合金的最后一次中間退火改為加熱到β相或α相高溫區(qū)急冷，再經最終冷加工和成品熱處理得到的成品管材，抗腐蝕性能更優(yōu)，其原因可能是成品管金相組織中的第二相細小彌散分布，并且增加了合金元素在α—Zr基體中的固溶含量。反應堆的運行情況表明，進行過上述熱處理的鋯錫合金管，作為核燃料元件的包殼管，可以緩和燃料包殼在反應堆運行中產生癤狀腐蝕的性狀。但是，因為管子淬火爐制造的困難和管子淬火后表面清潔處理的困難，半成品管子淬火在工業(yè)上不易實施，所以生產者往往只在鍛后或擠壓前，把塊狀坯料進行β相或α相高溫區(qū)加熱急冷處理，雖然這樣處理的效果稍差，但仍可優(yōu)化耐腐蝕性能。 鋯鈮合金是熱處理強化合金，進行淬火—冷加工時效處理也可提高耐腐蝕性能。 產品性能檢驗 核用管棒材出廠前要考核化學成分、腐蝕性能、力學性能、表面質量、氫化物取向、金相組織、尺寸偏差、無損探傷等項指標，保證管棒材的化學成分、腐蝕性能的指標都相同，力學性能指標相近。鋯材的熱中子俘截面很小，是優(yōu)良的核物理特性之一，由材質的化學成分予以保證。鋯錫合金管棒的熱中子俘截面不大于0.24b，純鋯管棒的不大于0.18b。此外，抗輻照生長的能力較優(yōu)，是鋯材的又一核物理特性，它除了與反應堆工況有關之外，還與鋯材的冷加工量及晶體織構有關。 鋯錫合金管棒出廠前應取樣，在400℃、10.3MPa水蒸氣中進行3天或14天的腐蝕試驗，并測出3天的增重應小于22mg/dm2，14天增重應小于38mg/dm2，表面生成黑亮色的保護膜。出廠的再結晶態(tài)鋯錫合金管材的力學性能是：室溫強度極限≥413MPa，屈服強度≥241MPa，延伸率≥20%，高溫強度及消除應力態(tài)管材的力學性能指標則由供需方協商規(guī)定。鋯鈮合金管棒雖比鋯錫合金管棒的腐蝕增重量略大一些，而強度則較高些，也是壓水型核反應堆使用的理想材料。 試驗得知，鋯及鋯錫合金、鋯鈮合金在腐蝕試驗之后的樣品增重量通?？捎媒涷炇絹砻枋觯害=Ktn，或lgΔm=K+nlgt，式中的Δm表示增重(mg/dm2)；t表示實驗時間，K和n為特定系數。 [1]

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