TA16传热管的断裂韧度测试方法研究

近年来,以蒸汽发生器传热管为代表的小尺寸管材的断裂韧度评价方法受到了日益关注。本文设计了一种可用于TA16传热管断裂韧性测试的含径向裂纹C形试样,基于弹塑性有限元分析获得试样的应力强度因子K和J积分的计算式。采用规则化法完成了TA16传热管的断裂韧度试验,试验结果表明,不同试样得到的J阻力曲线和条件启裂韧度J_Q的分散性均较小,J_Q均值为32.875 MPa•mm,标准差为1.377 MPa•mm。     

高温气冷堆石墨构件断裂性能数值研究

为探究球床模块式高温气冷堆（HTR-PM）石墨堆内构件抗断裂破坏特性,提供石墨堆内构件设计和完整性评估的依据,利用经实验验证的基于内聚力模型的扩展有限元方法（XFEM）对球床模块式高温气冷堆侧反射层石墨砖的燕尾键 键槽结构进行了断裂性能的模拟分析,并对石墨断裂参数及几何尺寸等参数进行了敏感性分析。模拟结果显示：该石墨砖燕尾键 键槽结构的最大失效载荷P_max为50.7 kN,且随圆角半径而增大;P_max对石墨材料抗拉强度敏感,圆角越大越敏感,对材料断裂功、杨氏模量敏感度较小,但随着结构圆角变小变得相对更敏感,对泊松比几乎不敏感。分析结果与文献预测及实验结论具有较好的一致性。本文研究能对其他类型反应堆（如熔盐堆和快堆）的石墨构件断裂性能分析评价提供参考。     

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。     

Beremin模型预测尺寸效应对A508-3钢断裂韧性的影响

断裂韧性是用于表征反应堆压力容器（RPV）钢脆性状态的重要指标。在开展相关研究时,由于辐照空间小等原因,一般采用小尺寸紧凑拉伸（CT）试样。为掌握CT试样尺寸变化对国产RPV钢断裂韧性测试结果的影响,对国产A508-3钢的不同尺寸CT试样进行了测试分析,采用Beremin模型方法研究了尺寸效应对断裂韧性数据的影响,并建立了不同尺寸CT试样的断裂韧性数据归一化模型（TSM）。结果表明,同一温度下实验测得的断裂韧性值随试样尺寸的减小逐渐增大,不同样品通过标准方法得到的归一化数据存在偏差,本文建立的TSM可有效减小换算数据偏差。     

用小尺寸R－CT试样研究核压力容器钢断裂韧性及与Charpy试样的比较

提出了一种用双边带深侧槽的小尺寸圆形紧凑拉伸试样评定核压力容器（ＲＰＶ）钢断裂韧性的单试作试验方法，给出了用该方法测定的两个厂家生产的核压力容器用Ａ５０８ＣＬ３钢的断裂韧性参数，还与Ｃｈａｒｐｙ试样的试验结果及大尺寸标准试样的试验结果进行了比较。研究结果表明：用双边带深侧槽的小尺寸Ｒ－ＣＴ试样测得的断裂韧性值比相同恻槽深度预制疲劳裂纹Ｃｈａｒｐｙ试样的测试值更接近有效断裂韧性值，所以，用于核压力容器断裂韧性的监测是可行的。     

基于巴西圆盘试验的国产石墨拉伸强度及特性研究

拉伸强度是石墨构件设计和结构完整性评价的一个重要参数，为研究国产石墨的拉伸强度及试样尺寸、石墨颗粒粒径、微观组织等对拉伸强度的影响，本文选用3种典型国产石墨，即粗颗粒、细颗粒和超细颗粒石墨，对每种石墨的4种不同尺寸规格的试样在拉伸试样机上开展巴西圆盘试验，采用高速相机捕捉劈裂破坏过程，使用扫描电镜观测断口形貌。对比分析了裂纹的扩展过程及破坏形式，测得了拉伸强度并分析了其分布特点，研究了试样尺寸、石墨颗粒粒径、微观组织等对拉伸强度的影响。结果表明：石墨劈裂试验过程满足巴西圆盘试验有效性的要求，试样尺寸越大，石墨颗粒粒径越大，越易产生二次裂纹和局部压缩破坏；通常石墨拉伸强度随试样尺寸的增大而增大，但试样尺寸较小时要综合考虑试样尺寸和颗粒粒径的影响，且材料密度越小尺寸效应越明显；石墨拉伸强度随颗粒粒径的增大呈下降趋势，表现出显著的颗粒粒径效应；石墨拉伸强度具有较大的分散性，其与石墨颗粒粒径表现出明显的相关性，细颗粒石墨拉伸强度的均匀性较粗颗粒石墨好得多，同时超细颗粒石墨明显优于细颗粒石墨；石墨的微观组织对拉伸强度有显著影响，粗颗粒石墨有较多较大的原生孔隙等缺陷，其拉伸强度最小，细颗粒石墨次之...     

J-Q理论在压力容器材料断裂韧性测试中的应用

J积分理论是表述材料在断裂过程中裂纹尖端应力场的标准方法。但是,由于尺寸效应的存在,单参数的J积分理论不适合应用于小尺寸的断裂韧性试样的裂纹扩展控制。双参数的J-Q理论可以克服单参数J理论在尺寸效应问题上的不足,使得用小尺寸样品研究材料断裂韧性在理论模型计算方面得     

4 J-Q理论在压力容器材料断裂韧性测试中的应用

J积分理论是表述材料在断裂过程中裂纹尖端应力场的标准方法。但是，由于尺寸效应的存在，单参数的J积分理论不适合应用于小尺寸的断裂韧性试样的裂纹扩展控制。双参数的J-Q理论可以克服单参数J理论在尺寸效应问题上的不足，使得用小尺寸样品研究材料断裂韧性在理论模型计算方面得到支持。这对于研究辐照后材料的断裂具有重要意义，因为由于受到辐照空间等因素的影响，辐照样品的尺寸往往受到严格限制。     

高温气冷堆内含硼碳材料吸湿特性与扩散系数研究

高温气冷堆（HTGR）是世界上首座具有第四代核电特征的堆型,堆内装载了大量石墨和碳作为结构材料和燃料元件基体。碳素材料是一种多孔材料,常温下吸附空气中的水分等杂质。高温气冷堆的初装堆除湿过程和事故后除湿过程,由水分扩散性能决定。通过含硼碳（BC）材料动态吸湿实验得到水分质量变化曲线,将其与模拟结果拟合得到材料中水分的有效扩散系数D_e＝7.30×10^-10 m²/s。通过吸湿实验得到湿度和温度对平衡吸湿量的影响。环境湿度越高,平衡吸湿量越大,二者近似呈线性关系;温度越高,平衡吸湿量越小。     

多孔石墨相氮化碳的制备及对U(Ⅵ)的吸附机理研究

以三聚氰胺为原料、碳酸钙为辅助模板,采用热聚合法对石墨相氮化碳（g-C₃N₄）进行改性,制备了多孔石墨相氮化碳（PCN）材料,研究了g-C₃N₄改性前后对U(Ⅵ)的吸附效果,并利用SEM、BET、FT-IR、XPS等表征手段对PCN吸附U(Ⅵ)的机理进行了分析。结果表明：PCN比表面积显著增大（58.5 m²/g）,约为g-C₃N₄的4倍;在初始pH=5、吸附时间2 h、U(Ⅵ)初始浓度10 mg/L、PCN用量0.2 g/L、温度303 K条件下,PCN对U(Ⅵ)的最大吸附量为92 mg/g;整个吸附过程符合准二级动力学方程以及Langmuir等温吸附模型;此外,升高温度有利于PCN对U(Ⅵ)的吸附。FT-IR、XPS表征结果表明,PCN中的含氮基团参与了PCN对U(Ⅵ)的吸附去除。     

高温水中氯离子对316L不锈钢应力腐蚀裂纹扩展速率的影响

本文采用直流电压降(DCPD)方法,使用恒K(K=27.5 MPa·m1/2)加载方式,在核电厂高温高压水环境中研究了氯离子对316L不锈钢的应力腐蚀裂纹扩展速率的影响。实验结果表明:在高温除氧水中,氯离子会加快316L不锈钢的应力腐蚀裂纹扩展速率,且当水中存在溶解氧时,氯离子对应力腐蚀裂纹扩展速率的影响更明显。     

Characterization of tensile strength and fracture toughness of nuclear graphite NBG-18 using subsize specimens

The mechanical properties of NBG-18 nuclear grade graphite were characterized using small specimen test techniques and statistical treatment on the test results. New fracture strength and toughness test techniques were developed to use subsize cylindrical specimens with glued heads and to reuse their broken halves. Three sets of subsize cylindrical specimens of different sizes were tested to obtain tensile fracture strength and fracture toughness. The mean fracture strength decreased as the specimen size increased. The fracture strength data indicate that in the given diameter range the size effect is not significant and much smaller than that predicted by the Weibull moduli estimated for individual specimen groups of the Weibull distribution. Further, no noticeable size effect existed in the fracture toughness data. The mean values of the fracture toughness datasets were in a narrow range of 1.21-1.26 MPa√m.     

犬骨型核石墨四点弯曲实验与模拟

核石墨是熔盐堆的关键材料之一,断裂性能是核石墨的重要属性之一。首先通过四点弯曲实验测量了犬骨型核石墨的断裂载荷,观察裂纹扩展路径再运用扩展有限单元法(Extended finite element method,XFEM)对这一实验过程进行了模拟。模拟得到的裂纹扩展路径和断裂实验结果有很好的一致性,证明利用XFEM可以准确地模拟核石墨的断裂过程。同时确定了适用于核石墨的断裂准则。     

腐殖酸对Re(Ⅶ)在高庙子膨润土中扩散的影响研究

腐殖酸是环境中普遍存在的一种有机物,它能通过络合作用和氧化还原反应影响放射性核素的迁移。本文通过贯穿扩散实验,在不同膨润土密度和不同腐殖酸接触时间下,研究了Re(Ⅶ)在高庙子膨润土中的扩散,得到了有效扩散系数De和容量因子α。结果显示,随着膨润土密度从1 600kg/m3增加至1 800kg/m3,De从1.8×10-11 m2/s减小至0.59×10-11 m2/s。随着腐殖酸接触时间由0d增加到60d,De由0.59×10-11 m2/s增大至0.83×10-11 m2/s。实验得到的α值均小于总孔隙率,说明在腐殖酸存在的条件下,Re(Ⅶ)可能仍以阴离子的形态在膨润土中扩散。     

RBS法测量重元素衬底上轻元素薄靶厚度的方法研究

在核反应实验中,靶厚的精度往往会直接影响实验结果的可靠性。为精确测量重元素衬底上轻元素薄靶的厚度,本文通过卢瑟福背散射(RBS)法,使用能量1.5 MeV的质子束对蒸镀在300 μm厚¹⁸¹Ta衬底上薄⁷⁴Ge靶的厚度进行了测量。RBS法测量结果与称重法相差较小,但信噪比从1∶2 000提升到1∶12,靶厚相对不确定度由10%减少到5%左右。同时采用SIMNRA软件对测量结果进行了模拟验证,模拟能谱与实验能谱符合较好。通过RBS法测量重元素衬底上轻元素薄靶的厚度,尤其当重元素衬底的质量远大于靶物质时,可有效提高测量结果的信噪比及不确定度,为核反应实验的分析提供了较好的依据。     

Measurement of the mechanical properties of thermally-shocked zirconia-based simulated inert matrix fuel

The Vickers micro-hardness (H_V) was measured by an indentation technique of simulated ZrO₂-based Inert Matrix Fuel (IMF) material with a composition of Er_0.07Y_0.10Ce_0.15Zr_0.68O_1.915 in two different densities on sintered specimens and specimens thermally shocked with the quenching temperature differences (ΔTs) between 473 and 1673 K and compared with those of simulated MOX, namely, U_0.92Ce_0.08O₂. The H_V values obtained for two IMF materials were found higher, ranging from 6.37 GPa to about 7.84 GPa, depending on ΔT and the sintered density, than those obtained for the simulated MOX which are quasi-constant in the same range of ΔT with a mean value of 6.37 GPa. The fracture toughness (K_IC) was calculated from the measured H_V and the crack length, and it was found to exhibit a slight increase with increasing ΔT, ranging between 1.4 and 2.0 MPa m^1/2, while that of simulated MOX specimen is ranging between 0.8 and 1.1 MPa m^1/2. The thermally shocked specimens were observed with an optical microscope and analyzed in terms of microstructural changes and cracking patterns.