二氧化铀芯块的低温烧结工艺与高温蠕变研究

介绍二氧化铀芯块的低温烧结技术,研究使用低温烧结技术所制备芯块的高温蠕变性能。试验中芯块的烧结温度分为1073、1273、1473、1673 K,烧结时间为1、2、3 h。烧结温度为1673 K,烧结时间为3h时,获得的的芯块烧结密度最大,密度为10.41g/cm3。由低温烧结工艺获得的芯块晶粒尺寸为9.0μm,而采用传统工艺制得的芯块晶粒尺寸达到23.8μm。。在应力20~50 MPa,温度1673 K和1773 K,氮气氛保护的条件下进行蠕变试验,研究这2种芯块的高温蠕变性能。由试验结果可知,在堆芯环境下(10 MPa应力)2种晶粒尺寸的芯块蠕变速率有一定差异,比值约为3。晶粒尺寸9.0μm的芯块其蠕变速率可以由Nabarro-Herring和Hamper-Dorn模型计算,而晶粒尺寸23.8μm的芯块其蠕变速率可以由Hamper-Dorn模型计算。     

微氧化气氛下二氧化铀芯块低温烧结

试验研究了微氧化气氛下二氧化铀芯块的低温烧结.试验结果表明当烧结温度固定时,烧结块的密度随烧结时间的延长而升高;在相同的烧结时间内,提高烧结温度,烧结块的密度随之提高,且提高程度比延长烧结时间提高的程度更为显著.     

二氧化铀芯块的低分压氧化性气氛烧结

文章研究在1200～1400℃、低分压氧化性气氛中采用添加剂生坯块、基体，以烧结时间、烧结温度、烧结气氛为条件所进行的二氧化铀坯块的烧结及烧结块的行为和性能。根据试验数据，确定了合适的烧结工艺参数。并对试验中的现象进行了分析，认为提高低分压氧化性气氛烧结块性能的关键措施是适当提高原始粉末的O/U原子比。     

烧结二氧化铀芯块微观结构检验方法的改进

EJ/T 688—1998《烧结二氧化铀芯块微观结构检验方法》现不能完全满足核燃料二氧化铀芯块产品的检验需求。通过对分析方法的改进,提出测量气孔分布时分别采用高倍物镜和低倍物镜进行图像采集,然后对不同范围的气孔用分段数据或累积数据表示,测量晶粒尺寸采用截点法,以平均截距表示芯块的平均晶粒尺寸,满足现行芯块产品技术条件分级要求。     

ADU型UO2芯块低温烧结研究

UO2燃料芯块通常可以由高温国和低温烧结工艺来制备。在这些烧结工艺中其原料是采用AUC型UO2粉末和ADU型UO2粉末。本项研究工作的目的是探索在氧化气氛低温烧结所制备的ADU型UO2芯块的理论密度（TD）和晶粒大小。在1150℃烧结，其理论密度可达95％。在氧化气氛烧结所获得的ADU型UO2芯块，其晶粒结构是单峰分布的，而不像AUC型UO2芯块的晶粒结构是双峰分布的，但是与铀酸铵（AU型）UO2芯块一致。对AUC荆UO2芯块和AU型UO2芯块比较了其晶粒结构、分布和大小。研究证明晶粒结构取决于粉末性能和烧结气氛。     

UO_(2+x)芯块预氧化工艺以及低温烧结致密化机理研究

为实现二氧化铀(UO2)粉末的低温活化烧结,使用综合热分析仪对UO2粉末表面进行预氧化处理,之后结合比表面积仪、X射线衍射仪以及扫描电镜分析粉末的相变点、比表面积、物相成分以及粉末微观形貌。通过以上试验得到:空气中224.6℃加热8 h后,在UO2粉末中出现了少量U3O7,而367.0℃加热8h后,UO2粉末将转变为U3O8。使用热膨胀仪对表面预氧化粉末制备的芯块进行模拟烧结试验发现:经过预氧化处理后,UO2芯块的烧结收缩温度从1200℃降低至580℃,致密速率(ΔL/L)从1.52×10-4 K-1增加到3.08×10-4K-1。基于简化点缺陷模型以及致密化方程,阐述了预氧化处理UO2+x芯块低温烧结的机理,即:UO2+x的扩散系数由于过量氧的存在,与UO2相比呈指数级别增加,该值远大于UO2的扩散系数;而芯块致密化方程中,烧结参数A与UO2+x的扩散系数正相关,其值可表示为温度T的二次多项式的指数形式;多项式参数为:a=16.23658,b=0.04247,c=-2.18802×10-5。     

基于蠕变的高温构件应力松弛损伤模型

基于SchIottner-Seeley平均蠕变断裂速率原理和松弛方程,构建了应力松弛损伤模型;采用该模型对高温紧固材料1Cr10NilMoW2VNbN进行了损伤预测和实验验证.结果表明,该模型预测的数据与实际试验结果吻合较好.     

高温气冷堆大晶粒二氧化铀核芯研究

大晶粒的UO₂核芯可更有效地阻止反应堆运行时裂变气体的释放,实现反应堆燃耗的加深和延长反应堆燃料元件的运行寿命。采用溶胶凝胶工艺制备高温气冷堆燃料元件的UO₂核芯,在胶液中加入含有Al的化合物Al(NO₃)₃•9H₂O,以增大核芯晶粒尺寸。研究了添加剂对核芯晶粒尺寸的影响及烧结过程中分解的O离子与核芯U离子的扩散系数之间的关系。通过添加含有Al的化合物,UO₂核芯的平均晶粒尺寸由18μm增加到30μm。对添加Al(NO₃)₃•9H₂O的UO₂核芯的烧结机理研究表明,UO₂核芯晶粒的长大主要受空位扩散机制的影响。     

掺钛UO2微球烧结行为研究

采用溶胶-凝胶方法制备掺钛UO2微球,并通过金相显微镜、扫描电镜(SEM)、能谱分析仪(EDS)等观察掺钛微球的微观组织、气孔分布、晶粒大小、钛元素分布以及用水浸渍法测量其密度.实验结果表明:在一定烧结温度下,掺入少量钛可明显提高烧结性能.在实验条件下,最佳掺钛量为0.3％(质量分数)以内、烧结温度为1250-1350...     

UO_2-Er_2O_3燃料芯块的烧结工艺研究

对UO_2-Er_2O_3可燃毒物燃料芯块的烧结工艺进行研究。试验表明:烧结过程中选择生坯密度在55%~60%理论密度的生坯芯块,在1700~1750℃,H2气氛中烧结2~3 h,可得到完整度、密度、晶粒尺寸等性能满足要求的燃料芯块。     

基于PepS的高温核一级管道蠕变疲劳分析方法研究

钍基熔盐堆(Thorium Molten Salt Reactor-Liquid Fuel,TMSR-LF1)回路管道最高运行温度达650℃,高温服役下的管道蠕变-疲劳损伤分析及评定至关重要。目前仅ASME-BPVC-III-5-HBB规范中有适用于高温核一级管道的蠕变-疲劳损伤暂行评定方法,但该方法对于复杂管道系统使用起来过于繁琐。本文旨在使用管道分析软件PepS软件实现高温核一级复杂管系的分析与结构完整性评估。首先结合管道结构在多种载荷组合作用下的截面应力状态解析解,进行管道截面应力分析及应力线性化,并将结果与有限元数值解进行对比分析,两者的误差结果基本一致。随后,利用PepS软件对TMSR-LF1回路管道进行了力学分析和结构完整性评估,结其蠕变疲劳损伤结果位于包络线以内,满足蠕变疲劳极限的要求。该研究将管道分析软件与ASME评定规范进行了有效衔接,明确了评定方法,实现了高温核一级复杂管系的蠕变疲劳评估。     

ASME规范316H不锈钢高温蠕变本构方程解析与讨论

ASME 2021版规范提供了316H不锈钢的高温蠕变本构方程。基于正确使用本构方程进行高温设备应变和蠕变损伤评价的目的,本文解析了其各项的物理意义,分析了其关键参数对温度和应力的敏感性,对比了其预测值与ASME规范等时应力应变曲线数据。结果表明：该本构方程由快速瞬态、瞬态和稳态蠕变项来描述蠕变第一、第二阶段,其适用性受蠕变第三阶段起始时间和应力范围的限制,同时方程中快速瞬态蠕变速率常数存在勘误;方程在1 000℉(华氏温度)下所得应变较规范等时应力应变曲线更大,致使应变预测结果相对保守。因此,在满足ASME规范316H不锈钢高温蠕变本构方程适用性的前提下,可采用其评价高温设备在950、1 050、1 150℉下的结构完整性,而1 000℉下的相对保守。     

添加Al2O3和SiO2的大晶粒UO2芯块制备研究

研究了Al2O3和SiO2添加剂对UO2芯块晶粒尺寸的影响.结果表明:加入少量的Al2O3和SiO2,可有效促进烧结过程中UO2芯块的晶粒度长大,过量加入则会阻碍烧结过程中UO2芯块的致密化;在添加量一定的情况下,添加不同比例的Al2O3和SiO2,对芯块晶粒尺寸有较大影响,只添加SiO2,对芯块晶粒尺寸影响不大,Al2O3添加量增加,芯块晶粒尺寸随之增加;添加Al2O3和SiO2促进UO2芯块晶粒长大的机制是在烧结期间发生了液相烧结.     

基于蠕变孔洞长大理论的高温构件蠕变强度设计准则研究

在分析高温构件蠕变失效微观机理的基础上,提出了基于孔洞长大理论的蠕变应变设计准则和蠕变应力设计准则.定义了蠕变等效应力和蠕变等效应变,探讨了蠕变许用应力和蠕变许用应变的确定原则.这些设计准则考虑了蠕变失效的微观机理和时间相关性的影响,能给出比传统设计方法更为稳定和合理的设计结果.分析了在蠕变强度设计上存在的困难,并提出了相应的建议.     

掺杂Cr2O3对UO2芯块烧结行为的影响

提高燃料燃耗的一个有效手段是通过增大UO₂晶粒尺寸来减少元件内部气体压力,在大晶粒UO₂芯块中,裂变气体到达晶界表面的距离增加,因而裂变气体的释放速率降低,元件内部气体压力的增高缓慢。本文研究了添加Cr₂O₃对UO₂晶粒尺寸的影响。对纯UO₂、添加0.5% Cr₂O₃及5% Cr₂O₃ 3种配方的芯块进行了试验,在5%H₂Ar保护下,以10 ℃/min和5 ℃/min的升温速率升温至1 700 ℃,然后烧结2 h或4 h,对比纯UO₂芯块与添加Cr₂O₃的芯块发现,添加Cr₂O₃可有效增大晶粒尺寸;较长的烧结时间可促进晶粒长大;较低的升温速率也使晶粒长大。烧结过程产生液相烧结,液相浸润晶粒边界,促进晶粒长大。     

国产反应堆压力容器用16MND5钢的蠕变损伤本构模型研究

为了获得反应堆压力容器（RPV）材料在高温下的蠕变行为,保证RPV在严重事故工况下的完整性,本研究对国产RPV用16MND5钢的高温蠕变性能进行了测试,获得了600~900℃下材料的蠕变性能,并基于应变强化的基本蠕变本构模型与基于延性耗竭理论的蠕变损伤模型,建立了适用于16MND5钢的蠕变损伤本构模型,给出了材料的蠕变损伤模型参数。结果表明,本文提出的蠕变损伤本构模型的有限元模拟数据与试验数据符合性较好,验证了此蠕变损伤模型的正确性。该方法可用于严重事故情况下RPV的蠕变损伤分析,为RPV的完整性分析提供支持。      

烧结二氧化铀燃料裂变气体肿胀的数值模拟研究

建立低温条件下烧结二氧化铀燃料(简称UO2燃料)中裂变气体的肿胀计算模型,采用有限差分方法编写计算程序,定量计算不同燃耗和温度条件下UO2燃料中固溶态的裂变气体份额、裂变气体气泡的密度与平均半径以及它们对燃料肿胀的贡献.计算表明,该模型能用于预测低温条件下UO2燃料中裂变气体所导致的肿胀随燃耗的变化规律.     

Gd2O3-UO2芯块晶粒尺寸的影响因素研究

用光学显微镜和图象分析仪研究了影响Gd2O3-UO2芯块晶粒尺寸的因素。对烧结气氛、混料方式、芯块在烧结炉中的位置、以及在UO2芯块中添加U3O8、草酸铵和助烧剂（Al、Ti、V的氧化物）等给Gd2O3-UO2芯块晶粒尺寸带来的影响进行了研究。结果表明,球磨工艺、添加助烧剂和微氧化气氛烧结等都有利于芯块的晶粒生长,晶粒大小分布均匀;添加U3O8和草酸铵对芯块的晶粒生长无明显的影响。