RIA下PCMI行為的堆外驗證試驗研究

郝思佳,丁錫嘉,胡 真,許 倩 ,韓智杰

(中國原子能科學研究院 反應堆工程技術研究所,北京 102413)

當前,先進燃料元件正向著“長循環、低泄漏、高燃耗、零破損”的目標發展,特別是“高燃耗”對燃料的安全性能提出了更大的挑戰,對安全準則提出了更高的要求。反應性引入事故(RIA)作為安全準則考慮的設計基準事故,確保高燃耗燃料在RIA工況下的安全運行是各國學者共同關注的核心問題[1]。

美、法、日、俄等國利用脈沖研究堆開展了大量堆內RIA工況下的實驗研究[2-3],得出了RIA下燃料棒行為及失效機制時序[4],獲取了RIA下隨燃耗變化的芯塊與包殼間機械相互作用(PCMI)失效焓增閾值[5],得到了堆內雙軸應力應變比的范圍[6]。但由于堆內實驗需要耗費大量時間與資金,部分國外學者開展了堆外模擬RIA工況試驗。堆外模擬RIA工況試驗主要集中在模擬燃料的PCMI試驗。Desquines等[7]討論了不同應力狀態下堆外PCMI試驗的優點和缺點。Hiroaki等[8]將壓縮膨脹(EDC)方法引入到燃料包殼PCMI試驗中,開展了Zr-4合金包殼的EDC試驗。Magnusson等[9]采用EDC方法研究了PCMI試驗下Zr-2合金包殼的性能。Zouari等[10]采用不同的EDC試驗裝置獲取了不同應變比下包殼的性能。Bono等[11]開展了不同升溫速率下燃料包殼的EDC試驗,獲取了包殼的力學特性。Grigoriev等[12]針對反應堆高燃耗燃料棒進行了堆外力學模擬及與脈沖堆試驗的比較,發現二者具有較好的一致性。Saux等[13]對RIA工況下不同應力狀態的Zr-4合金包殼破口狀態進行了討論。這些堆內外試驗為這些國家在核燃料安全領域占據主導地位奠定了堅實的基礎。

為建立我國適用于自己的RIA工況下的安全準則,急需開展國內自主RIA試驗研究,旨為先進燃料元件的商業化應用提供數據支持。本文擬研究建立堆外模擬RIA的EDC試驗裝置,以探索RIA工況下包殼PCMI失效的影響因素及作用機制。

1 試驗裝置與材料

1.1 試驗裝置

發生RIA后,芯塊瞬間熱膨脹擠壓包殼管,包殼管在堆內受到輻照、腐蝕、吸氫等影響,材料性能下降,在芯塊的擠壓下有可能發生破損。模擬PCMI失效的EDC裝置(圖1)主要由伺服系統、拉伸加載單元、壓縮加載單元、高溫加熱系統、真空系統、固定支撐裝置等構成。伺服系統提供載荷,包括伺服電機、減速機和滾珠絲杠。拉伸加載單元為包殼管提供軸向拉伸載荷,壓縮加載單元擠壓模擬芯塊從而產生環向應力。包殼管的兩端由夾具固定,上端夾具通過立柱固定在拉伸機的底座,確保在進行軸向拉伸時包殼管不打滑、不松動;下端通過下傳感器連接拉伸載荷。該試驗裝置的特點是加熱的同時實現雙軸加載;搭載了真空系統,以減弱氧化等化學反應的影響;在線高速采集包殼軸向和環向變形。

EDC試驗裝置的設計參數為:壓縮載荷50 kN、拉伸載荷20 kN、試驗溫度0～360 ℃、位移速率0.1～100 mm/s。

本文采用全數字嵌入式EAU-i20測控系統,雙32bit CPU高速運行,可快速響應計算機指令、高速傳輸測量數據、實時高頻閉環控制調節、及時狀態及故障信息檢測。

試驗管的環向應變測量選用雙軸激光外徑測量儀,具有精度高(±2 μm)且耐候性強、壽命長等優點。使用時,將傳感器布置在試驗管試驗段的軸向中間位置,當試驗管受模擬芯塊擠壓膨脹時,傳感器通過16 000次/s采樣周期進行測量,即可測得試樣的外徑。

1.2 試驗材料

測試所用模擬燃料包殼材料分別采用200、400、600、800 wppm(百萬分之一)的滲氫國產Zr-4合金。測試芯塊采用有機高分子材料加工制成。模擬材料實物圖示于圖2。

圖2 試驗材料實物圖

2 試驗結果

試驗對比了不同溫度、不同滲氫量條件下模擬包殼管的力學性能,并采用高速攝像技術對包殼爆破過程進行了實時拍攝。

2.1 溫度對包殼EDC性能的影響

對不同溫度下包殼管在EDC裝置雙軸加載破壞的過程進行分析。不同溫度下包殼管內模擬芯塊的最大壓縮載荷如圖3所示。同一溫度下的芯塊最大壓縮載荷存在差距是由于雙軸加載設置了不同包殼管拉伸載荷。由圖3可看出,隨著包殼管溫度的增加,最大壓縮載荷出現下降的趨勢。這表明在一定溫度范圍內,溫度升高導致包殼管延展性增強,更小的壓縮載荷即可造成較大的環向應變,常溫下可承載的最大壓縮載荷約為350 ℃下的3倍。

圖3 溫度對壓縮載荷的影響

圖4為20 ℃(常溫)與150 ℃(高溫)下EDC試驗過程中的載荷-應變曲線,試驗于恒定溫度下進行。試驗過程中,環向應變率不是恒定的,全壓縮過程平均環向應變率約為100%/s,最大環向應變率可達2 000%/s。壓縮載荷突降點即為包殼失效點,由于包殼瞬間破裂導致壓縮載荷突降,隨后壓縮單元繼續運動至裝置下限位,因此壓縮載荷有所上升,達到下限位后載荷持續降低至平穩。

圖4 溫度對包殼EDC的影響

利用高速攝像技術捕捉包殼管失效過程,如圖5所示,圖片以時間為順序從左到右排布。常溫(20 ℃)試驗可清晰捕捉到包殼管破口生長過程,高溫(150 ℃)試驗由于溫控裝置阻擋了光路,無法捕捉破口生長過程,但可實現失效瞬間包殼管邊緣的捕捉。當載荷達到臨界值附近時,包殼環向應變速率快速增加,在ms級的時間間隔內裂紋沿軸向擴展。常溫下裂紋長度可達包殼管管徑的6倍,高溫下包殼管環向變形明顯,裂紋長度普遍低于常溫試驗結果,約為包殼管管徑的1～4倍。

圖5 包殼破口過程

2.2 氫含量對包殼EDC性能的影響

不同氫含量下包殼管可承受的最大壓縮載荷如圖6所示。由圖6可看出,隨著包殼管氫含量的增加,最大壓縮載荷出現下降的趨勢。這表明,隨著氫含量的增加,包殼管延展性變差,可承受的最大壓縮載荷減小,200 wppm滲氫鋯管可承載的最大壓縮載荷約為800 wppm滲氫鋯管的2.7倍。

圖6 氫含量對壓縮載荷的影響

400 wppm和600 wppm氫含量下載荷與應變的關系示于圖7?？煽闯?氫含量增加1.5倍,包殼管失效時對應的最大壓縮載荷明顯減小25%,說明氫含量與包殼管可承受的最大剪切應力負相關。說明高燃耗包殼管PCMI失效的可能性更大。

圖7 氫含量對包殼EDC的影響

圖8為150 ℃下不同氫含量包殼管PCMI失效外觀。隨著含氫量的增加,包殼破壞程度加劇。裂紋經歷由軸向小裂紋、徑向大裂紋、大裂紋沿徑向發展3個階段,第3階段主要是由于EDC試驗中芯塊受到壓縮單元擠壓易位所致。其中800 wppm樣品還出現了徑向斷裂裂紋,這是由雙軸加載引起的軸向和徑向同時斷裂造成的。

圖8 不同氫含量包殼的破口形態

2.3 殘余應變比分析

針對包殼管在EDC裝置雙軸加載破壞的殘余應變關系進行分析,殘余應變比λ定義[14]如下:

(1)

其中:εzz為軸向應變;εθθ為環向應變。

圖9為本文結果與法國CABRI脈沖堆和日本NSRR脈沖堆計算結果[15]的對比。堆內RIA試驗包殼管殘余應變比大多位于0.1～0.7之間,本試驗得出的包殼管殘余應變比位于-0.1～0.5之間,基本符合堆內殘余應變比范圍。相比于堆內結果,堆外試驗中包殼管的失效環向應變明顯較大,環向應變的不同主要歸因于雙軸應變比和材料性能,雙軸應變比越小,產生的環向應變越大。本試驗的殘余應變比小于堆內結果,其原因如下:首先,本試驗由于裝置能力受限,拉伸載荷難以達到堆內條件,軸向應變小于堆內結果,殘余應變比減小;其次,堆內輻照材料還會受到腐蝕、吸氫、蠕變、輻照脆化、氧化等影響,由于吸氫對材料的力學性能影響最大,本實驗采用國際通用的模擬高燃耗手段,對包殼材料只進行了滲氫模擬,因此材料性能會優于堆內材料,環向應變有所增加,殘余應變比減小。

圖9 殘余應變比結果對比

不同溫度下殘余應變比的對比如圖10所示?？煽闯?隨著溫度的升高,包殼管殘余應變比下限有增加的趨勢。這也印證了前文中CABRI堆包殼管殘余應變比普遍較高的現象。

圖10 不同溫度下的殘余應變比

試驗獲取的樣品環向應變分布示于圖11。由圖11可見,隨著溫度的升高,環向應變有普遍提高的現象,最高出現了42%的環向應變。隨著氫含量的增加,破損時包殼的環向應變有所降低。這些現象與金屬的力學性能相關,包殼管的韌性隨溫度的升高而變好,包殼管的延展性隨滲氫量的增加而降低(即氫脆現象)。

圖11 EDC試驗下環向應變分布

3 結束語

本文通過堆外模擬RIA的EDC試驗裝置,探索了RIA工況下包殼PCMI失效的規律,得到如下結論:

1) 堆外模擬EDC試驗得出的包殼管殘余應變比位于-0.1～0.5之間,符合堆內殘余應變比范圍;

2) 隨著氫含量的增加,失效時包殼管的環向應變略有降低,同時包殼破壞程度加劇;

3) 隨著溫度的升高,失效時包殼管的環向應變從平均8%提高到30%,殘余應變比下限有增加的趨勢。