摘要
作为压水堆中广泛应用的燃料包壳材料，锆合金包壳管的吸氢及氢化破损是影响反应堆安全运行的重要因素，而二次氢化会导致包壳管发生更加严重的氢化破损。二次氢化是指当锆合金包壳管由于磨蚀、氢脆等原因产生初始破口后，冷却剂会在内外壁压力差的作用下流入包壳管内部，快速汽化为水蒸气并导致包壳管内壁发生Zr-H2O（蒸气）反应。超过包壳管极限固溶度的氢吸收量会导致氢化物的析出，并增加锆合金包壳管的脆性。除了氢化物的析出量，氢化物的取向也会影响锆包壳管的力学性能，其中径向氢化物的含量对力学性能的影响最为显著。Zirlo合金的耐腐蚀性能、抗蠕变性能及抗辐照生长性能均优于传统的Zr-4合金，是一种性能优异的包壳材料。 本文以Zirlo合金包壳管为研究对象，使用自主设计的锆包壳管二次氢化模拟装置开展堆外模拟实验:该压力管式高温高压实验装置由电加热棒模拟核燃料芯块，并在预渗氢Zirlo合金包壳管底部预置70μm初始破孔以模拟二次氢化行为;装置环腔单相水的温度约为325℃，预置初始破口在253℃工况下发生贯穿并引发包壳管的内氢化。在60天二次氢化堆外模拟实验后将Zirlo合金包壳管取出，使用金相、SEM、EDS、EBSD、TEM及定氢技术研究了原始、渗氢及模拟后包壳管的氢浓度、氢化物形貌及取向变化规律，并通过环向压缩实验与显微硬度测试研究了氢化物对Zirlo合金包壳管力学性能的影响，主要结论如下: (1)轴向氢浓度再分布规律表明，模拟后包壳管中轴向高度≥600mm各处氢浓度相比渗氢管增加约150ppm，底端氢浓度相比渗氢管增加约10～100ppm;径向氢浓度再分布规律表明，模拟后包壳管中轴向高度600mm处的氢化物径向迁移最为显著，C外层＞C内层; (2)氢化物形貌变化规律表明，随着氢含量的增加，渗氢及模拟后包壳管横截面中氢化物长度均有所增加且成簇聚集，模拟后试样成簇氢化物周围还分布有约25μm的短棒状氢化物;氢化物取向变化规律表明，渗氢及模拟后包壳管横截面中氢化物沿织构取向主要呈周向分布，氢化物取向因子Fn40会随氢含量的增加小幅增大，Fn40MAX＜5％; (3)环向压缩实验结果表明，含氢试样的单位面积抗压载荷均低于同位移条件下的原始管，渗氢与模拟后Zirlo合金包壳管的单位面积抗压载荷在同位移条件下差值＜15N/mm2;含氢试样的弹性模量及屈服强度均低于原始管，渗氢和模拟后包壳管的弹性模量值(≈82±8GPa)小于原始包壳管约15GPa，渗氢和模拟后包壳管的屈服强度值(≈804±20MPa)小于原始包壳管约140MPa;显微硬度测试结果表明，原始、渗氢与模拟后Zirlo合金包壳管的显微硬度值均随氢浓度的增加而减小，原始管的显微硬度值为251HV0.2，当氢浓度增加到302ppm后，包壳管显微硬度就降至206HV0.2，降幅约为18％。
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