辐照用小尺寸样品力学性能表征技术研究进展

由于辐照空间尺寸限制、降低样品放射性和提高辐照参数精度等原因,小尺寸样品被广泛应用于核反应堆材料的辐照后力学性能表征。本文就国内外小尺寸拉伸、冲击、断裂韧性、疲劳、蠕变和小冲杆等测试表征技术的研究现状进行了综合论述,分析了小尺寸样品测试中的关键影响因素以及数据归一化方法,总结了小尺寸样品存在的问题,并结合我国需求对小尺寸样品技术的发展进行了分析和展望,以期为小尺寸样品技术及测试分析数据进一步规范化和工程应用发展提供参考。     

CARR堆芯容器断裂韧性辐照监督样品尺寸效应

CARR堆芯容器材料采用6061-T6铝。ASME CodeCase N-519阐明，由于中子辐照导致6061-T6铝脆化和降低延性，因此，对于使用这种材料的堆芯容器必须制定辐照监督大纲，用于监测材料力学性能变化，特别是断裂韧性的降低程度，以便进行安全评审和经济效益的权衡，从而合理地确定堆芯容器的使用寿命。为保证今后辐照监督试验的进行，     

辐照样品的温度控制

由在辐照孔道内实验装置的实测数据,得到了辐照罐的γ释热率。根据分析计算,得出了确定辐照中气隙宽度的计算式。采用了增强周向导热能力及用电加热调节温差的设计思想。所设计的辐照罐即使在要求三种不同的辐照温度的情况下,成功地满足了辐照温度及温差的要求。设计温度的相对误差小于10％。     

辐照样品的温度测量

本文介绍了用热电偶和金属熔点指示剂测量辐照样品温度的方法,解决了在辐照下进行测量的具体技术措施,对辐照下可能影响温度的因素也作了实验分析。文中还给出了铝、不锈钢及碳化硼在特定辐照条件下的辐照温度。     

CFETR先进小样品辐照胶囊优化与热工安全分析

中国聚变工程试验堆（CFETR）先进材料辐照考验样品所在胶囊结构较为复杂,其内部填充氦气,胶囊肋条尺寸、位置以及胶囊内部填充材料对样品温度影响大。基于STAR-CCM+程序建立CFETR先进小样品辐照装置内胶囊全尺寸模型,针对样品的目标温度,对胶囊的肋条和填充材料进行了调整。对于胶囊内整体样品释热率较低的情况,采用释热率较大的钨材料作为填充材料,可以明显提高整体样品温度;对于局部样品释热率差别较大的情况,调整局部肋条的尺寸和位置,能够很好控制样品间的温度,使样品计算温度满足目标温度范围。结果表明：采用上述方法进行优化后,样品中心温度能够满足目标温度范围,且满足入高通量工程试验堆（HFETR）辐照的热工安全,保证整个辐照任务能够顺利开展。     

堆用SiC辐照温度监控器的研究进展

碳化硅（SiC）晶体可以用作无源监控器测量反应堆的中子辐照温度,在未来高温强辐射的先进核反应堆中具有重要的应用前景。SiC测温技术自20世纪60年代被首次提出以来,基于SiC结构、热学和电学性质的中子辐照效应,人们建立了宏观尺寸法、质量密度法、热导率法和电阻率法等各种SiC测温方法。本文首先综述了这些SiC测温方法的基本原理和工作特点,然后着重介绍了中国原子能科学研究院（China Institute of Atomic Energy,CIAE）SiC测温系统的研究进展,通过中子辐照诱导SiC晶格肿胀的理论计算,分析和验证了该系统测温结果的可靠性,探讨了进一步提高SiC测温效率的实验方法。     

国产A508-3钢辐照前后小样品断裂韧性测试分析

国产A508-3钢是反应堆压力容器(RPV)用钢,属于低合金铁素体钢,这类材料具有明显的韧脆转变行为,并且在经受中子辐照后,产生明显的辐照脆化效应,降低材料韧性,增加脆性断裂的风险。为掌握中子辐照对压力容器钢断裂韧性的影响,本文研究并掌握了国产A508-3钢0.5CT样品断裂韧性测试技术,并对辐照前后断裂韧性数进行比较,分析了中子辐照对A508-3钢断裂韧性的影响。     

小型辐照样品快速传输系统研制

为减少操作人员在样品辐照实验中受到的辐照剂量,进行了以气动控制实现小型辐照样品快速传输的研究.快速传输系统气动回路的通断以及换向控制等由电气控制部分实现.主程序实施系统的初始化,并检测手动/自动转换开关位置,调用相应的子程序实现手动或自动操作.自动子程序实现辐照样品到前端样品存储盒的自动传输;手动子程序完成系统的放气、辐照样品的前进和后退等功能.本文从硬件和软件设计两方面详细介绍了该系统的实现方法.     

管状燃料组件辐照后尺寸测量

主要介绍某新型管状燃料组件辐照后尺寸测量的检查内容、检查方法及检查结果,对尺寸测量结果进行初步评价。结果表明:燃料组件辐照后总长与辐照前相比略有增长,平均增长0.71 mm;辐照后组件弯曲度基本无变化;辐照后对边距最大增长0.17 mm,最小增长0.07 mm;各层燃料管水流间隙整体呈减小趋势,最大减小0.33 mm;燃料管外径最大增长0.13 mm,内径最大减小0.20 mm。     

基于小冲杆实验方法的国产A508-3钢辐照前后的断裂韧度测定

建立了辐照前国产A508-3钢断裂韧度和小冲杆实验冲压断裂能之间的线性关系,利用该关系和辐照后小冲杆实验冲压断裂能计算得到了辐照后材料的断裂韧度。用Master曲线方法分别处理中子辐照前、后材料的断裂韧度实验数据,得到参考温度t₀。     

基于微试样液压爆破法测试核压力容器用钢力学性能

微试样液压爆破法是一种可用于测试核压力容器辐照监督试样的微试样测试技术,该技术借鉴爆破片工作原理,对圆形薄片试样进行液压加压,使薄片鼓胀并爆破,在试验过程中记录载荷-圆薄片中心点位移曲线,通过曲线上的特征载荷以及试样变形关联材料常规拉伸性能。通过比较不同的近似解析法得到了适合于该型微试样试验技术的屈服强度、抗拉强度的计算方法,在上述研究的基础上对核电常用材料国产A508进行了液压爆破试验,得到了材料的强度特性,与常规单轴拉伸数据高度吻合。     

国产A508-3钢小尺寸拉伸样品的拉伸颈缩行为研究

对不同厚度国产A508-3钢小尺寸拉伸样品进行了室温拉伸试验,分析了拉伸性能及颈缩段参数,并基于有限元逆运算构建了小尺寸拉伸样品拉伸过程的GTN（Gurson-Tvergaard-Needleman）细观损伤模型,研究了厚度对小尺寸拉伸样品拉伸颈缩行为的影响规律与机理。试验结果表明,小尺寸拉伸样品在变形过程中发生了弹性变形、均匀塑性变形和颈缩变形;随着样品厚度由0.75 mm降低至0.30 mm,屈服强度、抗拉强度和均匀延伸率无明显变化,非均匀延伸率及总延伸率逐渐降低,颈缩角逐渐增大,断裂角在厚度降低至0.50 mm后逐渐增大。GTN细观损伤模型中用于表征空洞形核和融合率的参数在0.30 mm样品中明显降低,此结果与小尺寸拉伸样品颈缩行为规律相互印证。     

10×1019 cm-2快中子辐照国产A508-3钢材料的小冲杆试验研究

小冲杆试验方法以其所需测试样品尺寸小而带来的样品感生放射性小等优势,越来越多地应用于核材料力学性能评价领域。本文设计了一套利用光栅尺直接测量样品变形的小冲杆试验装置,较传统装置精度有明显提高。利用该套装置对注量为10×1019 cm-2（E≥1 MeV）快中子辐照的国产A508 3钢材料进行了小冲杆测试研究,探索了针对放射性样品从制备到测试的试验方法,并获得了国产A508 3钢材料的小冲杆屈服特征值、抗拉特征值和韧脆转变温度与标准试验之间的关系式。     

核监测用断裂韧性Charpy尺寸试样的合理设计

预制疲劳裂纹侧槽Charpy尺寸试样是一种经济、方便的评价核压力容器用钢弹塑性断裂韧性的单试样方法。本文就几种常用压力容器用钢详细研究了侧槽相对深度对断裂韧性及相应的稳定裂纹扩展量的影响,并和满足GB2038要求的大尺寸试样的试验结果进行了对比。研究结果表明,采用预制疲劳裂纹、侧槽相对深度为30%的Charpy尺寸试样及三点弯曲试验曲线上最大载荷前的能量,可以偏安全地评价裂纹开始扩展时材料的弹塑性断裂韧性,建立了核监测用断裂韧性试验Charpy尺寸试样的合理设计。此外,还研究了侧槽的拘束效应和对试样的加厚作用,对试验结果进行了理论解释。     

Mechanical Properties of Neutron Irradiated Fuel Cladding Tubes

There was few post irradiation examination data on the mechanical properties of domestic fuel cladding tubes used for light water reactors, then those data obtained abroad have been often used in the fuel design or fuel performance codes. Although, many reports discussed the deformation mechanism of the tube, almost all the data were not obtained from irradiated specimens but unirradiated ones. In recent years, systematic post irradiation examinations on domestic fuel elements used in Japanese light water reactors and the related studies were performed.

This report first summarizes briefly the crystallographic texture which characterizes the properties of Zircaloy fuel cladding tubes, followed by an explanation of basic properties such as elasticity, plasticity, creep and fatigue. Finally, the up-to-date results are introduced.     

基于小冲杆实验方法的国产A508-3钢等效断裂应变测定

在对比分析小冲杆实验测量韧性金属材料等效断裂应变方法的基础上,选择利用Chakrabarty薄膜伸张模型,确定了与实验装置相关的等效断裂应变与小冲杆实验中心位移之间的二次函数关系,利用该函数关系计算了不同温度下国产A508-3钢的等效断裂应变。结果表明,等效断裂应变随温度降低而减小。讨论了等效断裂应变随温度变化的原因     

小冲杆试验技术测定铁素体钢P92的拉伸强度

利用小冲杆试验技术测定了不同温度下不同厚度的铁素体钢P92试样的载荷 位移曲线。研究结果显示,室温下小冲杆试验的屈服载荷P_y与极限载荷P_max随厚度t的增加呈线性增加趋势。在不同温度下,P_y与标准试验屈服强度σ_y的拟合关系式σ_y＝αP_y/t²中的系数α与温度T的关系为α＝9.4213×10^-4T+0.3494。其中,室温下α取为0.382。     

Effects of Temperature,Strain Rate,and Specimen Orientation on Localized Plastic Deformation of Irradiated Zircaloy-2

Both transverse and longitudinal Zircaloy-2 specimens irradiated up to 1.2 × 10²⁰ n/cm² (E> 1 MeV) were tested in tension with strain rates ranging 1.1 × 10^-4~1.1 × 10^-2 s^-1 in the temperature range 200~400°C. Detailed observations of the specimen wall surface and microstructure were also made on samples deformed to various amounts of plastic strain, with a projector and an optical microscope.

It was found that localized plastic deformation bands occurred in the temperature range approximately 280~330°C during straining to the ultimate tensile stress. Results also showed that the strain rate dependence of tensile properties, particularly the strain to the ultimate tensile stress, was associated with changes in the number and width of the localized deformation band with strain rates at a temperature of 300°C at which localized bands occurred. From a break of the straight line tracing the true stress-true plastic strain relationship, it was established that the onset stress and strain of the localized deformation band could be estimated.

The effect of specimen orientation on localized deformation band was also discussed on the basis of differences in the onset stress and strain between the transverse and longitudinal specimens.     

基于小冲杆试验方法的国产A508-3钢辐照后的强度测定

提出了利用辐照前材料小冲杆试验载荷与标准试验强度之间的关系及辐照后小冲杆试验载荷计算辐照后强度的方法,利用该方法测量了中子辐照后国产A508-3钢的强度,发现中子辐照导致了国产A508-3钢的强度升高、塑性降低。利用扫描电镜观测辐照前、后小冲杆试验样品的断口形貌,利用辐照前、后样品的表面形貌的不同解释了辐照硬化现象。最后,讨论了测量的准确度并提出了改进建议。