含硅9Cr-ODS钢设计与性能研究

发布时间：2020-04-07 04:33

【摘要】：铅基反应堆结构材料面临强中子辐照、高温以及强腐蚀性介质等极端环境,材料是制约其实现工程应用的关键问题之一。本论文针对铅基反应堆的结构材料需求,以研发力学性能优异并耐液态铅铋腐蚀的ODS钢为目标,开展了含硅9Cr-ODS钢的设计与性能研究。主要研究内容与结果如下:基于氧化物弥散强化理论和液态金属腐蚀理论,设计了 CLAM钢+0.3wt%Y2O3+一定含量 Si 的 9Cr-ODS 钢。对不同 Si 含量(0、0.3wt%、0.5wt%、1.Owt%)的ODS钢进行了微结构表征、高温拉伸性能测试及静态铅铋腐蚀实验,以优化ODS钢中的Si含量。微观组织结构分析结果表明,Si元素的添加使9Cr-ODS钢中形成了 Y2Si2O7相为主的纳米Y-Si-O相,其形成机理遵循溶解-再析出机制。Si和Y2O3的在机械合金化过程中分别固溶于基体,并形成过饱和固溶体,固溶于基体中的O与机械合金化过程产生的大量空位结合生成O-空位对,O-空位对与Y、Si相结合,在热等静压过程中生成了热力学较稳定的单斜立方结构Y2Si2O7 相。对含硅9Cr-ODS钢的高温力学性能进行了评估,结果显示随着Si含量增加,样品屈服强度逐渐升高,室温下均超过1300MPa,温度上升至550℃时均超过795MPa,温度继续上升至700℃,1.0wt%Si样品测试值最高且达到300MPa。含硅9Cr-ODS钢中与基体非共格的纳米氧化物对位错运动的阻碍作用是其具有良好高温性能的主要原因。开展了 550℃、氧浓度为10-6wt%静态铅铋环境中3000hrs腐蚀实验研究。结果表明,含硅9Cr-ODS钢腐蚀界面依次由Fe3O4、(Fe,Cr)3O4、富Cr和富Si氧化层组成(沿铅铋向基体方向)。分析认为,Si元素能够促进致密的富Cr氧化层和富Si氧化层的形成,减缓液态铅铋中的氧元素向基体的扩散过程,从而提高ODS钢的腐蚀抗力。
【图文】：

技术路线图,压水堆,快堆,钠冷快堆

钠冷快堆系统（ＳＦＲ，Ｓｏｄｉｕｍ－ｃｏｏｌｅｄ邋Ｆａｓｔ邋Ｒｅａｃｔｏｒ邋Ｓｙｓｔｅｍ），铅冷快堆系统（ＬＦＲ，逡逑Ｌｅａｄ－ｃｏｏｌｅｄ邋Ｆａｓｔ邋Ｒｅａｃｔｏｒ邋Ｓｙｓｔｅｍｓ）。根据ＧＩＦ组织发布的最新的“第四代核能系逡逑统技术路线图”（见图１．２），最先实现工业示范的第四代核能系统将会是铅冷逡逑快堆［１１。表１．１给出了六种第四代核电反应堆系统与商用压水堆主要参数Ｗ。逡逑ＶＨＴＲ邋＾Ｔ．＝：：：：…－＂□：：：：：：：：逡逑ＳＦＲ逦Ｉ＂．．．＂逡逑ＳＣＷＲ逦Ｉ逡逑ＭＳＲ逡逑ｌｆｒ邋ＨｍＨＫＩＺＺＺ］＂…．逡逑Ｉ逡逑Ｉ逦ｉ逦ｉ逦ｔ逦ｉ逦ｉ逦ｉ逡逑２０００逦２００５逦２０１０逦２０１５逦２０２０逦２０２５逦２０３０逡逑■Ｖｉａｂｉｌｉｔｙ邋□Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ邋□邋Ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｉｏｎ逡逑图１．２第四代核能系统技术路线图逡逑表１．１邋ＧＩＦ推荐的六种四代堆系统与商用压水堆的参数比较逡逑反应堆类Ｓ逦＋子谱冷却剂逡逑／邋Ｃ逦／ｄｐａ逦／ＭＰａ逡逑铅冷快堆ＬＦＲ逦快逦４８０－８００逦２００逦０．１逦铅合金逡逑气冷快堆ＧＦＲ逦快逦８５０逦２００逦７逦氦／二氧化碳逡逑超高温堆ＶＨＴＲ逦热逦１，０００逦１－１０逦７逦氦气逡逑钠冷快堆ＳＦＲ逦快逦５００－５５０逦２００逦０．１逦钠逡逑熔盐堆ＭＳＲ逦热／快逦７００－８００逦２００逦０．１逦熔盐逡逑挪快邋５１０－６２５逦１５－６７逦２５逦水逡逑ＷＲ逡逑压水堆ＰＷＲ逦热逦３２０逦１００逦１６逦水逡逑（１）气冷反应堆系统逡逑气冷反应堆系统包括气冷快堆ＧＦＲ和超高温堆ＶＨＴＲ

示意图,气冷堆,示意图

逦■■＿邋ｖ逡逑图１．３气冷快堆示意图逡逑Ｃｏｎｔｒｏｌ逡逑ｒｏｄｓ逡逑Ｉ邋ＩＩＩ邋Ｉ逡逑＿邋＿逦一逡逑Ｊ邋＾＾＾ＨＰｒ＾Ｈｙｄｒａ９ｅｎ逡逑—逦＾逦Ｈｙｄｒｏｇｅｎ逡逑ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ邋ｐｌａｎｔ逡逑图１．４超高温气冷堆示意图逡逑超高温堆ＶＨＴＲ是指采用石墨慢化，氦气冷却的热中子反应堆，其堆芯出逡逑口温度很高，可达到７００￣９５０°Ｃ，未来还可以提升到１，０００°Ｃ。ＶＨＴＲ的堆芯一逡逑般有棱柱状和球床类两种类型。从发电方式上，，可以采用直接循环，即主回路逡逑上直接布置氦冷汽轮机系统；也可以是基于蒸汽发生器和朗肯循环的间接循环，逡逑其过程热可用于精炼厂、石油化工、冶金、制氢等［４］。逡逑３逡逑
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TL341

【参考文献】