AgInCd合金中嬗变产物第二相的析出机制与长大行为研究

AgInCd alloys as control rod materials are widely used in the pressurized water reactor. However, the AgInCd control rods may become invalid due to swelling acceleration in the late operating stage. Therefore, verifying the swelling acceleration mechanism is significant for failure analysis of control rods. The composition of AgInCd alloy will be changed during irradiation in pile, and the second phases formed from transmutation products (SPFTPs) with distinctly lower density will precipitate in the subsequent process. These processes lead to the volume expansion of AgInCd alloy, which may be the main reason for the swelling acceleration of AgInCd control rods. The project will employ the AgInCd alloys with compositions simulated in pile as the research objects. By using SEM, HRTEM and so on, this study will research the properties of the SPFTPs, analyze the coordination and orientation relationship of the SPFTPs with alloy matrixes, calculate the interfacial energy, and explore the growing kinetics law of the SPFTPs. Through these studies, the precipitation mechanism and growth behavior of the SPFTPs during aging will be ascertained. The project will also build the mathematical model for describing the dependence of alloy swelling on the precipitation and growth of the SPFTPs, on the base of the density values of the SPFTPs and alloy matrixes, and the number and size of the SPFTPs. The research results will provide a theoretical basis for understanding the swelling acceleration mechanism and accurately predicting the service life of AgInCd control rods.

AgInCd合金作为控制棒芯体材料在压水堆中广泛使用。然而在堆内运行后期AgInCd控制棒会出现肿胀加速，导致控制棒失效。因此探明合金的肿胀加速机理对于分析控制棒失效行为具有重要的学术和工程意义。.AgInCd合金在堆内辐照过程中成分会发生变化，析出密度明显低于合金基体的嬗变产物第二相，导致合金体积膨胀，这是控制棒发生肿胀加速的重要原因。本项目将以模拟堆内成分的AgInCd合金作为研究对象，采用SEM、HRTEM等研究手段分析嬗变产物第二相的性质、第二相与合金基体的配合位向关系和界面能、以及第二相长大的动力学规律，探明嬗变产物第二相的析出机制和长大行为；根据嬗变产物第二相和基体的密度、第二相的数量和尺寸等，建立第二相析出长大对合金肿胀的影响模型。研究结果为深入认识AgInCd控制棒的肿胀加速机理以及准确预测控制棒的服役寿命提供理论依据。

AgInCd合金作为控制棒芯体材料在反应堆运营过程起着重要作用，但是AgInCd控制棒在运行后期存在肿胀加速现象。由肿胀加速引起的控制棒卡涩将严重影响反应堆的正常运行。通过本项目研究，建立了一种数理模型来计算AgInCd合金芯体在辐照条件下的成分变化。关于化学成分沿径向的变化规律的堆内辐照实验数据与计算结果非常相似，在一定程度上验证了计算模型的可靠性。根据模型计算结果，制备了一系列不同合金成分的模拟AgInCdSn合金。检测了嬗变产物第二相的结构特征，其晶体结构为hcp相，相较于fcc基体，嬗变产物第二相富含Cd和Sn。嬗变产物第二相的晶格参数a变化范围为2.962埃米到3.008埃米；晶格参数c变化范围为4.791埃米到4.806埃米。Sn元素在基体中的固溶度较低，在含1.5%Sn的AgInCdSn合金中就会有大量的嬗变产物第二相析出。嬗变产物第二相的纳米颗粒与fcc基体具有半共格配合关系，这种结合界面具有较低的界面能。研究了嬗变产物第二相对模拟AgInCdSn合金的密度、热导率、比热容、热膨胀率等热物性能的影响。建立了嬗变产物第二相析出长大以及蠕变变形导致的AgInCd合金芯体肿胀模型，计算结果与反应堆实际数据符合较好，表明了肿胀模型有较好的准确性。此外，获得了AgInCd合金的压缩变形机理和退火再结晶机制。随着压缩应变的增加，变形机理从全位错滑移和增值转变为全位错滑移和分位错发射机制，再转换为形变孪生。在较低温度退火时AgInCd合金的形变孪晶转变为堆垛层错。项目研究成果为判断AgInCd控制棒芯体的肿胀加速机理提供科学依据，为反应堆控制棒材料的性能评价和寿命评估奠定了基础。