[发明专利]一种核用锆合金材料高压气相渗氢装置与方法

说明书

本发明公开了一种核用锆合金材料高压气相渗氢装置，包括金属材质的耐压炉室，加热组件，控温组件，测温套管，混合气源，压力组件，真空组件和排气组件，本发明还公开了一种核用锆合金材料高压气相渗氢的方法，将锆合金材料放置于耐压炉室中，打开真空组件抽出耐压炉室中的空气，然后向耐压炉室中通入氢氩混合气后对锆合金材料进行加热保温，得到渗氢锆合金材料，本发明采用金属材质的耐压炉室承载更大的压力，通过锆合金与加压冲入的氢氩混合气在高温、高压环境下的物理扩散进行渗氢，渗氢效果稳定，加压后的氢气在金属容器内分布均匀，并且加压后物理扩散渗氢速度快，气氛均匀，使用方便、运行成本低、安全系数高、不造成环境污染。

技术领域

本发明属于高压气相渗氢技术领域，具体涉及一种核用锆合金材料高压气相渗氢装置与方法。

背景技术

锆合金具有优异的核性能，它的热中子吸收截面小，比许多金属结构材料低，堆内辐照后，具有良好的传热性能和高温下优异的耐腐蚀性能以及与UO₂核燃料良好的兼容性，故锆合金常用于核动力反应堆中的核燃料包壳管、压力管及反应堆栅格中，对核反应系统的安全性起着第一道屏障的作用。

由于锆合金在核反应堆运行过程中，其长期处于高温、高压及强辐照的服役环境下，在核燃料包壳管表面形成以单斜ZrO₂为主的氧化层，并且高温的水与锆合金发生缓慢的水侧均匀腐蚀，其在高温条件下与水蒸汽反应(Zr+2H₂O→ZrO₂+2H₂)伴随有氢气的生成，析出的氢一部分留于水中，一部分被锆吸收，这就是“吸氢”现象。腐蚀初始阶段氧化膜层黑亮且致密，对内基体起一定的延缓氧化及阻挡氢气吸收的作用。然而随着堆内运行周期的延长，当膜层生长到一定厚度后会发生开裂及剥落现象，裂纹为氢气的入侵起到快速通道的作用，加快锆基体在高温下的氢气吸收速率。氢含量较少时，氢在锆合金中优先占据四面体间隙位置，形成间隙固溶体，但由于氢在锆中的固溶度有限，一旦超出固溶极限后就会析出氢化锆相，该相是脆性相，容易产生微裂纹，使材料韧性和强度降低，会对锆合金基体的力学性能及包壳管的完整性产生不利的影响，成为制约其使用寿命的重要因素。此外，在氢化锆形成过程中伴随着体积的增大，引起周围基体晶格畸变，因此很容易导致锆合金基体微裂纹的产生，形成氢致延迟开裂。氢化与氧化交互作用，造成核燃料包壳管的失效，对核反应堆的正常运行产生严重的安全隐患。

综上所述，研究锆合金中氢化物的形成机制、组织形貌等具有重要的工程意义。目前，国内锆合金氢化物检测中的渗氢基本采用将样品放置于含氢氧化锂(浓度范围1mol/L～3mol/L)溶液的高压釜中进行渗氢。高压釜渗氢的特点是封闭式金属耐压容器，通过锆合金与氢氧化锂溶液在高温、高压环境下的化学反应进行渗氢；优点是封闭式炉温均匀性良好、氢氧化锂分布均匀性良好，因此渗氢均匀性好，试验结果重现性良好；缺点1)环境友好性较差，试验后产生的氢氧化锂废液，需按国家环保相关要求进行处置，且废物处置成本较高；2)渗氢反应速度慢、耗时长，且针对不同牌号锆合金的反应时间差异较大，不同牌号锆合金渗氢时间的摸索难度较大；3)设备长期在强化学腐蚀性环境中使用，会产出一定程度的化学腐蚀，需定期检查甚至更换高压釜容器，否则可能出现高压釜开裂等安全事故；4)设备制造成本较高，且设备使用寿命较短，设备使用时能耗较高，总体运行成本很高。而国外多采用气体渗氢，特点是加热炉采用石英玻璃管容器，试验炉与大环境相连通，通过锆合金与持续通入的氢氩混合气在高温、常压环境下的物理扩散进行渗氢，同时反应后的氢氩混合气持续排出；优点是环境友好性良好、结构很简单、操作便捷、设备制造成本低；缺点1)开放式结构的炉温均匀性较差、且氢气分布均匀性较差，因此渗氢均匀性差，试验结果重现性差，试验稳定性不良、成熟度不够；2)该渗氢方式需持续通入并持续排出氢氩混合气，以维持反应器内部存在一定量的氢气促使渗氢持续进行，电炉在加热工作的同时设备持续排出氢氩混合气，存在电炉加热时可能点燃氢气的安全隐患；3)石英反应器易损坏。

综上所述，由于渗氢时间、气氛均匀性、渗氢温度等因素与渗氢效果稳定与否有着密切的关系，因此研发出一种渗氢效果良好的高压气相渗氢装置和高压气相渗氢方法是需要面对的重要问题。

发明内容