辐照条件下部分金属型铀基核燃料与锆基包壳材料的相图计算

发布时间：2020-10-13 23:15

　　 核能是一种非常有潜力的新能源,核能的产生需要在核反应堆中进行。核燃料元件(核燃料+包壳)材料是核反应堆中至关重要的一部分。然而核燃料元件材料在使用过程中不可避免地会受到辐照的影响,从而导致相稳定性发生改变。因此,为了保证核燃料元件能够安全高效地运行,研究辐照条件下核燃料元件的相图是十分有必要的。本论文基于CALPHAD方法,对金属型核燃料U-X二元合金、包壳材料Zr-X二元合金在辐照条件下的相图进行了计算,主要的研究成果如下:(1)基于文献报道的U-X(X:Mo,Zr)各二元系的热力学参数和扩散参数,建立了辐照条件下的有效自由能模型,研究了不同辐照条件对缺陷浓度、自扩散系数、自由能和平衡相图的影响,并计算了不同辐照条件下U-X(X:Mo,Zr)各二元合金的平衡相图。结果表明,辐照对高温部分的平衡相图影响很小;但是在低温部分,U-Mo和U-Zr合金相图中分别出现了连续固溶的γ(U,Mo)和γ(U,Zr)相,从而发生了两个不变系反应。即在辐照条件下,原本在高温时稳定存在的Y相也能在低温时稳定存在。该研究结果从热力学角度合理地解释了 Bleiberg等人的实验结果,可为U基金属型核燃料的设计提供重要的理论指导。(2)基于文献报道的Zr-X(X:Nb,Mo)各二元系的热力学参数和扩散参数,建立了辐照条件下的有效自由能模型,研究了不同辐照条件对缺陷浓度、自扩散系数、自由能和平衡相图的影响,并计算了不同辐照条件下Zr-X(X:Nb,Mo)各二元合金的平衡相图。结果表明,在辐照条件下,高温部分的平衡相图与热力学平衡相图基本一致;但是在低温部分,Zr-Nb和Zr-Mo合金相图中分别出现了连续固溶的BCC(βZr,Nb)和BCC(βZr,Mo)相,从而发生了两个不变系反应,同时Nb在(αZr)中的固溶度会增加。该研究结果与Turkin等人的计算结果取得了良好的一致性,可为Zr基包壳材料的合金设计提供重要的理论基础。
【学位单位】：厦门大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2017
【中图分类】：TL21
【部分图文】：

图１．２Ｕ－Ｍｏ合金的实验相图［６３］??Ｆｉｇ．?１．２?Ｔｈｅ?ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ?ｐｈａｓｅ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｔｈｅ?Ｕ－Ｍｏ?ａｌｌｏｙｓ［６３Ｊ??ｉｎｅ、Ｋｉｔｔｅｌ［６４］等人于１９５６年对比了铀及其合金在相同辐照条件下的现在０．１％燃耗的反应堆中，纯金属铀的密度缩小了?０．５％，硬度随着延展性的大幅增长。而在同样的辐照条件下，铀合金的密度变度和延展性的变化幅度均显著降低，这说明辐照后的铀合金会更效地降低各向异性造成的肿胀。??基包壳材料的研究现状??锆合金来说，其吸氢性能主要决定于抗腐蚀性能。高纯度的锆有着性能，但是对纯度要求太高，造价昂贵，因此在工程中通常降低

Ｆｉｇ．?３．５?Ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ?ｆｒｅｅ?ｅｎｅｒｇｙ?ｏｆ?ｔｈｅ?ｙ（Ｕ，?Ｍｏ）?ｐｈａｓｅ?ｗｉｔｈ?ｔｈｅ?ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ?；７，．ｇｕｉｌｄｅｒ??Ｋ〇＝?１０＇２?ｄｐａ／ｓａｔ４００Ｋ??图３．６计算了在不同温度下，ｙ（Ｕ，?Ｍｏ）相的有效自由能在无辐照条件（Ａ＝０）??和有辐照条件（ＫｔＨＴ２?ｄｐａ／ｓ）下的变化情况。通过对比可以发现，在辐照条件??下ｗｕ，Ｍｏ）相的有效自由能会降低，且随着温度的下降，有效自由能降低的幅??度会更大。这说明，在低温下辐照对有效自由能的影响相比在高温情况下更为显??著。??３８??

Ｆｉｇ．?３．６?Ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ?ｆｒｅｅ?ｅｎｅｒｇｙ?ｏｆ?ｔｈｅ?ｙ（Ｕ，?Ｍｏ）?ｐｈａｓｅ?ｗｉｔｈ?ａｎｄ?ｗｉｔｈｏｕｔ?ｉｒｒａｄｉａｔｉｏｎ?ａｔ??ｄｉｖｅｒｓｅ?ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓ?（ｉ．ｅ．?４５０Ｋ，?５００Ｋ，?５５０Ｋ）??图３．７计算了在４００Ｋ，?＆ｐ／?＝?１００?ｄｐａ—１条件下Ｙ（Ｕ，?Ｍｏ）相的有效自由能随??离位率的变化情况。由图３．７可以看出，在辐照条件下ｙ（Ｕ，?Ｍｏ）相的有效自由??能会降低，且随着离位率的增大，自由能降低的幅度会更大。这是由于随着离位??率的增大，弹道自由能（Ｋ）会随之增大，从而引起有效自由能的降低。??３９??
【参考文献】

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本文编号：2839832