一种核燃料元件包壳锆合金钛合金复合管及其制备方法与流程

本发明涉及核燃料元件包壳领域，尤其是涉及一种可用作水冷核反应堆较高燃耗下或较高温度下的燃料棒包壳管。特别地，本发明涉及在水冷核反应堆中表现出改良耐腐蚀性能及较好热强性的燃料包壳管，这种包壳管可提高燃料棒的抗LOCA事故的能力。

背景技术：

锆合金由于热中子吸收截面小、导热率高、机械性能好，又具有良好的加工性能以及同UO₂相容性好，尤其对高温水、高温水蒸气也具有良好的抗蚀性能和足够的热强性，因此被广泛用作水冷动力堆的包壳材料和堆芯结构材料。

目前，锆合金中可添加的合金元素虽然受到热中子吸收截面大小的限制，但仍然形成了多种系列的锆合金，概括起来主要有Zr-Sn系、Zr-Nb系和Zr-Sn-Nb系三大类。Zr-Sn系主要有Zr-2合金、Zr-4合金和低锡Zr-4合金等，Zr-Nb系有Zr-2.5％Nb合金(本文中除非特别说明，所有成分均为质量百分数)、Zr-1％Nb合金和M5合金，Zr-Sn-Nb系包括美国西屋公司的ZIRLO合金、日本的NDA合金、俄罗斯的E635合金以及我国的N18合金、N36合金等。

为了进一步提高核电的经济性和安全性，核燃料元件越来越向高燃耗、长循环方向发展，这对锆合金包壳材料不断提出新的要求和挑战。为此，世界各国从来没有停止过锆合金研究发展的步伐。

第一代锆合金如常规Zr-4合金燃耗只能达到30GWd/tU，优化Zr-4合金燃耗可达40-50GWd/tU；

上世纪70年代以来国内外开发了第二代锆合金，用于压水堆的主要有：E635合金、ZIRLO合金和M5合金等。ZIRLO合金被批准的燃料组件燃耗为60GWd/tU，优化ZIRLO合金被批准的燃料组件燃耗可达70GWd/tU；M5合金被批准的燃料组件燃耗为52-62GWd/tU，德国批准的M5合金燃料组件燃耗达70GWd/tU。

目前，国内外仍在不断开发新的锆合金包壳材料，以提高其耐腐蚀性能、吸氢性能、力学性能、抗辐照生长性能和抗辐照蠕变性能，其中耐腐蚀性能和吸氢性能是锆合金最关键且最易产生变化的性能。

2011年日本福岛核事故后，对燃料棒抗LOCA事故的能力提出了更高的要求。目前，本领域技术人员试图找到一种抗LOCA事故的燃料棒包壳材料。

技术实现要素：

鉴于现有锆合金包壳管的不足，本发明所要解决的技术问题是提供一种耐高温高压水介质腐蚀的新型燃料棒包壳管，具有更为优异的耐水侧腐蚀性能和较好的热强性，可提高燃料棒的抗LOCA事故的能力。

为实现上述目的，本发明提供了一种核燃料元件包壳锆合金钛合金复合管及其制备方法，具体地，本发明提供的技术方案如下：

一种核燃料元件包壳锆合金钛合金复合管的制备方法，包括以下步骤：

a)将锆合金坯料经过加工，制备成锆合金管坯；

b)将钛合金坯料经过加工，制备成钛合金管坯；

c)将钛合金管坯装配在锆合金管坯外，放入电子束焊箱内抽真空，然后对钛合金管坯和锆合金管坯的上端面和下端面进行电子束焊接，使钛合金管坯和锆合金管坯的接触面之间的间隙保持真空，得到挤压管坯；

d)将挤压管坯包上内包套和外包套，在真空条件下或惰性气体保护下加热，然后利用挤压机进行挤压，得到轧制管坯；

e)去除内包套和外包套，将轧制管坯进行清洗之后，通过轧制工艺获得锆合金钛合金复合管，锆合金钛合金复合管中锆合金管和钛合金管间具有冶金结合层。

优选地，步骤a中的锆合金坯料包括纯锆和锆基合金，锆基合金包括Zr-Sn系、Zr-Nb系或Zr-Sn-Nb系合金。

优选地，步骤b中的钛合金坯料包括纯钛和钛基合金，钛基合金包括α钛合金、α+β钛合金或β钛合金。

优选地，在步骤c前将锆合金管坯和钛合金管坯进行机加工和表面清洗，使接触面保持清洁。

优选地，步骤c中抽真空至低于3×10^-3Pa。

优选地，步骤d中的加热温度为700℃-1250℃。

一种核燃料元件包壳锆合金钛合金复合管，复合管包括冶金结合的内层管材和外层管材，内层管材为锆合金，外层管材为钛合金，复合管还包括位于内层管材与外层管材之间的冶金结合层，冶金结合层含有的元素来自内层管材和外层管材。

优选地，冶金结合层含有的元素包括Zr、Ti、Al、V、Cr、Mn、Cu、Fe、Mo、Ni、Sn、Co、Nb、Si、C、O、N、S、Be等元素中的一种或多种。

优选地，内层管材的厚度为0.05mm～0.95mm，外层管材的厚度为0.05mm～0.70mm，冶金结合层的厚度为0.001mm～0.20mm。

一种使用核燃料元件包壳锆合金钛合金复合管的核燃料棒，核燃料棒包括燃料芯体和包壳。包壳为锆合金钛合金复合管，从内到外依次为锆合金、冶金结合层和钛合金，燃料芯体设置在锆合金钛合金复合管中。

由于上述技术方案的采用，本发明与锆合金包壳管材相比具有以下特点：

第一，通过本发明获得的锆合金钛合金复合管为异种金属复合管，其抗水侧腐蚀性能要优于锆合金包壳管。本发明在现有技术的核燃料包壳锆合金管的外侧，通过冶金结合增加了一层钛合金层，由于钛合金材料在高温高压水介质中的抗腐蚀性能要优于锆合金，特别是在蒸汽条件下具有较慢的氧化速率，避免了锆合金包壳管在高温下发生由于过度氧化而导致的脆化失效，因此，复合管可以提高燃料棒包壳管的耐水侧腐蚀性能。

第二，通过本发明获得的异种金属复合管，其热强性要优于锆合金包壳管。本发明所述的锆合金钛合金复合管，锆合金管材与钛合金管材之间是冶金结合层。该冶金结合层起着粘结作用，使锆合金与钛合金之间紧密结合没有间隙，由于钛合金的高温强度要优于锆合金的缘故，使得复合管的热强性要优于锆合金管材。

第三，通过本发明获得的异种金属复合管，具有良好的导热性能。由于复合管中的锆合金管材与钛合金管材之间是冶金结合，两种管材之间没有间隙存在，因此，复合管具有良好的导热性能。

因此，与锆合金包壳管相比，本发明的锆合金钛合金异种金属复合管具有更为优异的耐水侧腐蚀性能和较好的热强性，在较高温度下可确保燃料棒的结构完整性，可提高燃料棒抗LOCA事故的能力，适用于水冷核反应堆较高燃耗下或较高温度下的燃料棒包壳管。

以下将结合附图对本发明的方法及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明的较佳实施例的复合管剖面图。

图2是本发明的较佳实施例的挤压管坯端部装配示意图。

图3是本发明的较佳实施例的复合管的冶金结合层的示意图。

具体实施方式

如图1所示为本发明较佳实施例的复合管剖面图，复合管包括内层管材1和外层管材2。其中内层管材1采用锆合金，外层管材2采用钛合金。复合管还包括位于内层管材1和外层管材2之间的冶金结合层3，其所含元素来自内层管材1和外层管材2。

本较佳实施例采用的锆合金优选为Zr-4合金，Zr-4合金管材厚度为0.35～0.55mm；钛合金优选为Ti-6Al-4V钛合金，钛合金管材厚度为0.15-0.35mm；冶金结合层厚度为0.01mm-0.1mm。锆合金钛合金复合管的厚度为0.50mm-0.65mm，外径为8.0mm-12mm，长度为1.0m-6.0m。

本发明较佳实施例的锆合金钛合金异种金属复合管的制备过程和步骤如下：

(1)通过加工，将Zr-4合金坯料制备成Zr-4合金管坯；

(2)通过加工，将Ti-6Al-4V钛合金坯料制备成Ti-6Al-4V钛合金管坯；

(3)将两种管坯进行机加工和表面清洗，使接触面保持清洁；

(4)将加工好的两种管坯进行装配，如图2所示，钛合金管坯(外层管材2)装配在锆合金管坯(内层管材1)外，放入电子束焊箱内抽真空，真空低于3×10^-3Pa，然后对管坯端面进行电子束焊接，使两者接触面之间的间隙保持真空，得到挤压管坯。

(5)将挤压管坯包上内、外包套，在真空条件下在1150℃加热，然后在挤压机上进行挤压，得到轧制管坯。

(6)去除内、外包套，将轧制管坯进行清洗之后，通过轧制工艺获得复合管。如图3所示，其中锆合金管(内层管材1)和钛合金管(外层管材2)之间形成一层冶金结合层3。

由于外层的Ti-6Al-4V钛合金具有优异的耐腐蚀性，特别是在高温高压水介质中显示出优于锆合金的抗腐蚀性，在反应堆发生LOCA事故时能够减缓高温氧化；同时，Ti-6Al-4V钛合金的高温强度要优于锆合金，因此，该复合管的热强性要优于锆合金。因此，与锆合金包壳管相比，本发明的异种金属复合管具有更为优异的耐水侧腐蚀性能和较高的热强性，可提高燃料棒的抗LOCA事故的能力，适用于核反应堆较高燃耗下或较高温度下的燃料棒包壳管。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。