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我國首次實現(xiàn)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(xié)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常可用經驗式來描述：Δm=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(shù)。 [1]

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加工管棒用的鑄錠以海綿鋯為原料

加工管棒用的鑄錠以海綿鋯為原料。核動力工程用材料的錠子，要以核級海綿鋯為原料，并應嚴格限制Hf、B、Cd、U等20多種雜質元素的含量。合金元素可以以高純金屬或母合金等形式加入。 海綿鋯和合金元素一起被壓制成棒狀電極，在真空自耗電極電弧爐內進行兩次熔煉，可獲得組織致密、成分均勻的鑄錠。壓制棒狀電極之前，海綿鋯與合金元素應該大體上均勻混合。壓制的電極應有適當?shù)闹旅芏取６稳蹮捤玫腻V子，表里各處的化學成分都應在規(guī)定的范圍之內。 熔鑄鋯錫合金時，為了避免低熔點合金元素(Sn)在第一次熔煉時可能超前流淌，合金元素以母合金的形式加入，比以純金屬加入更有利于錠的成分均勻。熔鑄鋯錫合金用的是Zr—Sn—Cr—Fe或Zr—Sn—Cr—Fe—Ni母合金。熔煉鋯鈮合金錠時，合金元素以Zr—Nb母合金的形式加入，比以純鈮加入較容易避免難熔元素(Nb)的偏析。 母合金通常用真空非白耗電極電弧爐煉制。真空自耗熔煉法制備的鋯合金錠一般重約幾百公斤，它的成分均勻性容易控制，也適合塑性加工的需要。當代熔鑄技術的進步已能生產超過1t重的均質大錠。 鋯及其合金感應熔煉鑄造技術已開始步入實用化階段。此法的技術困難是克服坩堝材質對鋯的污染，解決辦法有：采用復合涂層坩堝或冷坩堝感應熔煉以及采用凝殼鑄造等工藝措施。例如，脈沖反應堆用的鋯鈾合金棒既可用2～3次真空自耗熔煉鑄錠再擠壓的方法制取，也可采用真空中頻感應爐直接鑄棒。 塑性加工鋯合金管棒的毛坯用熱鍛、熱擠壓等方法制備，熱加工塑性良好，變形抗力不很高。 光錠鍛造前用箱式電爐加熱。為了減少高溫氧化，錠子可用玻璃涂層保護。當用燃油爐和煤氣爐加熱時，加熱應在中性或微氧化性氣氛下進行，避免火焰直射錠表面。大變形量的鍛造在β相(體心立方)進行，精鍛在α相(密集六方)的高溫區(qū)進行。鍛造設備選用空氣錘、蒸汽錘、油壓機均可。 管坯和棒坯采用包套擠壓法制取。常用紫銅做包套，以起改善潤滑和避免鋯高溫氧化的作用。鑄錠和鍛件都可以做擠壓坯。用箱式爐或工頻爐加熱，加熱溫度控制在α相的偏中高溫度區(qū)。 一般用錐形模擠壓，以保證擠出件的銅包皮連續(xù)與完整。擠前加熱的溫度上限是包套材質與鋯可能產生共晶物質的最低溫度(查Cu—Zr二元相圖可知)，以免惡化擠出件表面。例如，包銅套擠壓鋯及其合金時加熱溫度應低于885℃。進行高溫無包套擠壓時，可用玻璃浴爐或鹽浴爐加熱光錠。 管棒材成品用冷軋、旋轉鍛造、旋壓、拉拔等冷加工方法生產。鋯及其合金冷加工時的塑性良好，變形抗力中等，冷加工性能近似低碳鋼，但是難于潤滑而容易粘模，對拉拔坯料要進行表面磷化或氧化處理。為了得到理想的表面質量，管材一般不用拉拔而用冷軋法生產。 對于核燃料元件的包殼管，用量多要求高，可用二輥或多輥式冷軋管機組軋制。歐美各國多用二輥式冷軋管機生產鋯合金管。壓水堆用鋯合金包殼管的尺寸范圍是聲φ6～15mm×0.4～0.7mm。做燃料元件端塞的棒材通常也不用冷拔法生產，而且擠制的棒坯再經冷旋轉鍛造制得。端塞的直徑與包殼管的外徑相同，棒材成品規(guī)格應留有端塞機加工的裕量。 半成品管末次中間退火之后的終軋應以減壁為主，終軋減壁率與減徑率的比值(Q)必須大于1。對于Q>1的管子在織構分析時看到，金屬晶體六方點陣的C軸幾乎平行于管子直徑。 這種成品管子在反應堆內工作吸氫以后，取樣做橫截面金相分析時，可以看到氫化物的分布位向大體上呈切向。氫化物的這種切向分析有利于管子抗裂。而Q<1的管子，氫化物則近乎徑向分布。因此，管子末次中問退火后到成品規(guī)格前軋管的Q值應≥2～3。

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