失水事故下锆合金包壳燃料元件关键特性研究

The integrity of the zirconium alloy cladding fuel element is very important for the safety of the nuclear power plant in the loss of coolant accident (LOCA). Therefore, it is necessary to investigate the failure behavior of the zirconium alloy, and the heat transfer characteristics of the fuel element under the real condition. In the present research, typical commercial zirconium alloys such as Zr-Sn、Zr-Nb and Zr-Sn-Nb were uesd to investigate the behavior of oxidation, hydrogen absorption and phase transformation in rapid heating and quenching process. The heat transfer and film boiling process were also studied. The water vapor oxidation, hydrogen absorption and phase transition mechanism of zirconium alloy under non isothermal process during LOCA condition will be grasped, and the dynamic model and the critical threshold of oxidation instability will be obtained. The phase transition kinetic model based on oxygen and hydrogen effect will be established. The transient computation framework of coupled oxidation kinetics, fluid dynamics and heat transfer will be set up to study the mechanism of joint effect of materials oxidation kinetics and flow-heat treanfer as well as the failure of zirconium alloy cladding. The key characteristics of fuel element behavior could be clarified in LOCA conditions so as to offer the reliable experiment research and theoretical analysis results for the evaluation on the safety margin of reactor core in LOCA conditions.

核燃料元件锆合金包壳的结构完整性对核电安全非常重要。在失水事故下锆合金包壳材料的组织性能变化、失效行为及传热特征等尚没有完全明确，因此，揭示影响上述关键特性与失效机理之间的本质联系和科学问题具有重要理论与实际意义。项目以典型商用锆合金为对象，采用原位氧化增重测试、热模拟试验、先进电子显微分析技术和湍流动力学修正的三相多方程模型，研究连续升温和骤冷过程锆合金水蒸气氧化、吸氢及相转变过程，模拟失水事故下膜态沸腾和骤冷下的传热学特性。获得非等温过程锆合金的氧化行为、吸氢行为、相转变特征及微观组织变化规律，建立多因素耦合作用下的氧化动力学模型、吸氢模型、相转变模型及材料动力学-传热学耦合关系模型，阐明严重事故工况下锆合金包壳氧化动力学与流动/传热强瞬态过程的耦合失效机理。本项目的顺利实施可获得失水事故下锆合金包壳的失效临界阈值和失效关键特性，对指导反应堆安全裕量评估具有重要工程实践意义。

失水事故是核电站最严重的事故之一，燃料包壳材料将经历氧化、吸氢、相转变及其与传热的耦合作用等复杂且剧烈的过程，其机理研究是保障包壳服役安全性的重要基础。通过实验模拟失水事故下锆合金等温、非等温氧化及模拟骤冷过程，发现温度和升温速率对不同锆合金体系的氧化动力学影响显著；结合微纳尺度结构分析和微观应力检测，揭示了模拟事故条件下形成的氧化膜及前沿氧化物相分布与微观应力的关系，获得了氧化物和基体的相转变和组织演变机理；建立了失稳氧化和骤冷淬火后锆合金管的残余塑性之间的关系，为我国自主研发锆合金的失水事故下氧化失效评价体系提供了基础数据支撑。.针对氢含量对锆合金力学行为及微观组织演变的影响，氢化物相变行为及其对局域基体塑性变形机制的影响，开展了氧化过程中吸氢特性及其与失稳氧化的关联机制、晶界工程对缓解锆合金氢脆的作用机理等研究。发现氢化物相变及变形诱导孪晶的出现能有效缓释局域应变，延缓裂纹扩展；氢化物相转变伴随着取向关系的改变，氢致局域塑性在氢化物相变后消失；孪晶作为氢化物的优先析出位置，可阻碍其在二维方向的同步长大并缓释局域应变。本研究丰富了锆合金氢脆、氢致延迟开裂及氢致局域塑性的理论发展。.建立了初始温度和冷却水温度对沸腾传热特性的影响关系，获得了临界热流密度（CHF）与初始温度升高及冷却水温度降低而增大的变化特性；揭示了气膜的运动形式及氧化产物与锆合金基体的传热系数差异是导致氧化膜厚度增时最小膜态沸腾温度增大和骤冷前沿运动速度增大。应用计算流体力学方法得到骤冷条件下锆合金棒表面气膜及顶部蒸汽团的形成和随时间的形貌演化特性，建立了冷却剂气相分布随温度和包壳位置变化的关系，以及沸腾起始点位置与入口温度及热流密度的关系。实验和模拟计算的结合揭示了失水事故下锆合金包壳及周围流体区域流动、氧化和传热耦合条件下的变化特性，为失水事故下燃料元件的设计安全准则及运行安全标准制订及优化提供参考。