本發(fā)明涉及核燃料元件包殼領(lǐng)域，尤其是涉及一種可用作水冷核反應(yīng)堆較高燃耗下或較高溫度下的燃料棒包殼管。特別地，本發(fā)明涉及在水冷核反應(yīng)堆中表現(xiàn)出改良耐腐蝕性能及較好熱強(qiáng)性的燃料包殼管，這種包殼管可提高燃料棒的抗LOCA事故的能力。

背景技術(shù)：

鋯合金由于熱中子吸收截面小、導(dǎo)熱率高、機(jī)械性能好，又具有良好的加工性能以及同UO₂相容性好，尤其對(duì)高溫水、高溫水蒸氣也具有良好的抗蝕性能和足夠的熱強(qiáng)性，因此被廣泛用作水冷動(dòng)力堆的包殼材料和堆芯結(jié)構(gòu)材料。

目前，鋯合金中可添加的合金元素雖然受到熱中子吸收截面大小的限制，但仍然形成了多種系列的鋯合金，概括起來(lái)主要有Zr-Sn系、Zr-Nb系和Zr-Sn-Nb系三大類(lèi)。Zr-Sn系主要有Zr-2合金、Zr-4合金和低錫Zr-4合金等，Zr-Nb系有Zr-2.5％Nb合金(本文中除非特別說(shuō)明，所有成分均為質(zhì)量百分?jǐn)?shù))、Zr-1％Nb合金和M5合金，Zr-Sn-Nb系包括美國(guó)西屋公司的ZIRLO合金、日本的NDA合金、俄羅斯的E635合金以及我國(guó)的N18合金、N36合金等。

為了進(jìn)一步提高核電的經(jīng)濟(jì)性和安全性，核燃料元件越來(lái)越向高燃耗、長(zhǎng)循環(huán)方向發(fā)展，這對(duì)鋯合金包殼材料不斷提出新的要求和挑戰(zhàn)。為此，世界各國(guó)從來(lái)沒(méi)有停止過(guò)鋯合金研究發(fā)展的步伐。

第一代鋯合金如常規(guī)Zr-4合金燃耗只能達(dá)到30GWd/tU，優(yōu)化Zr-4合金燃耗可達(dá)40-50GWd/tU；

上世紀(jì)70年代以來(lái)國(guó)內(nèi)外開(kāi)發(fā)了第二代鋯合金，用于壓水堆的主要有：E635合金、ZIRLO合金和M5合金等。ZIRLO合金被批準(zhǔn)的燃料組件燃耗為60GWd/tU，優(yōu)化ZIRLO合金被批準(zhǔn)的燃料組件燃耗可達(dá)70GWd/tU；M5合金被批準(zhǔn)的燃料組件燃耗為52-62GWd/tU，德國(guó)批準(zhǔn)的M5合金燃料組件燃耗達(dá)70GWd/tU。

目前，國(guó)內(nèi)外仍在不斷開(kāi)發(fā)新的鋯合金包殼材料，以提高其耐腐蝕性能、吸氫性能、力學(xué)性能、抗輻照生長(zhǎng)性能和抗輻照蠕變性能，其中耐腐蝕性能和吸氫性能是鋯合金最關(guān)鍵且最易產(chǎn)生變化的性能。

2011年日本福島核事故后，對(duì)燃料棒抗LOCA事故的能力提出了更高的要求。目前，本領(lǐng)域技術(shù)人員試圖找到一種抗LOCA事故的燃料棒包殼材料。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

鑒于現(xiàn)有鋯合金包殼管的不足，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種耐高溫高壓水介質(zhì)腐蝕的新型燃料棒包殼管，具有更為優(yōu)異的耐水側(cè)腐蝕性能和較好的熱強(qiáng)性，可提高燃料棒的抗LOCA事故的能力。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種核燃料元件包殼鋯合金鈦合金復(fù)合管及其制備方法，具體地，本發(fā)明提供的技術(shù)方案如下：

一種核燃料元件包殼鋯合金鈦合金復(fù)合管的制備方法，包括以下步驟：

a)將鋯合金坯料經(jīng)過(guò)加工，制備成鋯合金管坯；

b)將鈦合金坯料經(jīng)過(guò)加工，制備成鈦合金管坯；

c)將鈦合金管坯裝配在鋯合金管坯外，放入電子束焊箱內(nèi)抽真空，然后對(duì)鈦合金管坯和鋯合金管坯的上端面和下端面進(jìn)行電子束焊接，使鈦合金管坯和鋯合金管坯的接觸面之間的間隙保持真空，得到擠壓管坯；

d)將擠壓管坯包上內(nèi)包套和外包套，在真空條件下或惰性氣體保護(hù)下加熱，然后利用擠壓機(jī)進(jìn)行擠壓，得到軋制管坯；

e)去除內(nèi)包套和外包套，將軋制管坯進(jìn)行清洗之后，通過(guò)軋制工藝獲得鋯合金鈦合金復(fù)合管，鋯合金鈦合金復(fù)合管中鋯合金管和鈦合金管間具有冶金結(jié)合層。

優(yōu)選地，步驟a中的鋯合金坯料包括純鋯和鋯基合金，鋯基合金包括Zr-Sn系、Zr-Nb系或Zr-Sn-Nb系合金。

優(yōu)選地，步驟b中的鈦合金坯料包括純鈦和鈦基合金，鈦基合金包括α鈦合金、α+β鈦合金或β鈦合金。

優(yōu)選地，在步驟c前將鋯合金管坯和鈦合金管坯進(jìn)行機(jī)加工和表面清洗，使接觸面保持清潔。

優(yōu)選地，步驟c中抽真空至低于3×10^-3Pa。

優(yōu)選地，步驟d中的加熱溫度為700℃-1250℃。

一種核燃料元件包殼鋯合金鈦合金復(fù)合管，復(fù)合管包括冶金結(jié)合的內(nèi)層管材和外層管材，內(nèi)層管材為鋯合金，外層管材為鈦合金，復(fù)合管還包括位于內(nèi)層管材與外層管材之間的冶金結(jié)合層，冶金結(jié)合層含有的元素來(lái)自?xún)?nèi)層管材和外層管材。

優(yōu)選地，冶金結(jié)合層含有的元素包括Zr、Ti、Al、V、Cr、Mn、Cu、Fe、Mo、Ni、Sn、Co、Nb、Si、C、O、N、S、Be等元素中的一種或多種。

優(yōu)選地，內(nèi)層管材的厚度為0.05mm～0.95mm，外層管材的厚度為0.05mm～0.70mm，冶金結(jié)合層的厚度為0.001mm～0.20mm。

一種使用核燃料元件包殼鋯合金鈦合金復(fù)合管的核燃料棒，核燃料棒包括燃料芯體和包殼。包殼為鋯合金鈦合金復(fù)合管，從內(nèi)到外依次為鋯合金、冶金結(jié)合層和鈦合金，燃料芯體設(shè)置在鋯合金鈦合金復(fù)合管中。

由于上述技術(shù)方案的采用，本發(fā)明與鋯合金包殼管材相比具有以下特點(diǎn)：

第一，通過(guò)本發(fā)明獲得的鋯合金鈦合金復(fù)合管為異種金屬?gòu)?fù)合管，其抗水側(cè)腐蝕性能要優(yōu)于鋯合金包殼管。本發(fā)明在現(xiàn)有技術(shù)的核燃料包殼鋯合金管的外側(cè)，通過(guò)冶金結(jié)合增加了一層鈦合金層，由于鈦合金材料在高溫高壓水介質(zhì)中的抗腐蝕性能要優(yōu)于鋯合金，特別是在蒸汽條件下具有較慢的氧化速率，避免了鋯合金包殼管在高溫下發(fā)生由于過(guò)度氧化而導(dǎo)致的脆化失效，因此，復(fù)合管可以提高燃料棒包殼管的耐水側(cè)腐蝕性能。

第二，通過(guò)本發(fā)明獲得的異種金屬?gòu)?fù)合管，其熱強(qiáng)性要優(yōu)于鋯合金包殼管。本發(fā)明所述的鋯合金鈦合金復(fù)合管，鋯合金管材與鈦合金管材之間是冶金結(jié)合層。該冶金結(jié)合層起著粘結(jié)作用，使鋯合金與鈦合金之間緊密結(jié)合沒(méi)有間隙，由于鈦合金的高溫強(qiáng)度要優(yōu)于鋯合金的緣故，使得復(fù)合管的熱強(qiáng)性要優(yōu)于鋯合金管材。

第三，通過(guò)本發(fā)明獲得的異種金屬?gòu)?fù)合管，具有良好的導(dǎo)熱性能。由于復(fù)合管中的鋯合金管材與鈦合金管材之間是冶金結(jié)合，兩種管材之間沒(méi)有間隙存在，因此，復(fù)合管具有良好的導(dǎo)熱性能。

因此，與鋯合金包殼管相比，本發(fā)明的鋯合金鈦合金異種金屬?gòu)?fù)合管具有更為優(yōu)異的耐水側(cè)腐蝕性能和較好的熱強(qiáng)性，在較高溫度下可確保燃料棒的結(jié)構(gòu)完整性，可提高燃料棒抗LOCA事故的能力，適用于水冷核反應(yīng)堆較高燃耗下或較高溫度下的燃料棒包殼管。

以下將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的方法及產(chǎn)生的技術(shù)效果作進(jìn)一步說(shuō)明，以充分地了解本發(fā)明的目的、特征和效果。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明的較佳實(shí)施例的復(fù)合管剖面圖。

圖2是本發(fā)明的較佳實(shí)施例的擠壓管坯端部裝配示意圖。

圖3是本發(fā)明的較佳實(shí)施例的復(fù)合管的冶金結(jié)合層的示意圖。

具體實(shí)施方式

如圖1所示為本發(fā)明較佳實(shí)施例的復(fù)合管剖面圖，復(fù)合管包括內(nèi)層管材1和外層管材2。其中內(nèi)層管材1采用鋯合金，外層管材2采用鈦合金。復(fù)合管還包括位于內(nèi)層管材1和外層管材2之間的冶金結(jié)合層3，其所含元素來(lái)自?xún)?nèi)層管材1和外層管材2。

本較佳實(shí)施例采用的鋯合金優(yōu)選為Zr-4合金，Zr-4合金管材厚度為0.35～0.55mm；鈦合金優(yōu)選為T(mén)i-6Al-4V鈦合金，鈦合金管材厚度為0.15-0.35mm；冶金結(jié)合層厚度為0.01mm-0.1mm。鋯合金鈦合金復(fù)合管的厚度為0.50mm-0.65mm，外徑為8.0mm-12mm，長(zhǎng)度為1.0m-6.0m。

本發(fā)明較佳實(shí)施例的鋯合金鈦合金異種金屬?gòu)?fù)合管的制備過(guò)程和步驟如下：

(1)通過(guò)加工，將Zr-4合金坯料制備成Zr-4合金管坯；

(2)通過(guò)加工，將Ti-6Al-4V鈦合金坯料制備成Ti-6Al-4V鈦合金管坯；

(3)將兩種管坯進(jìn)行機(jī)加工和表面清洗，使接觸面保持清潔；

(4)將加工好的兩種管坯進(jìn)行裝配，如圖2所示，鈦合金管坯(外層管材2)裝配在鋯合金管坯(內(nèi)層管材1)外，放入電子束焊箱內(nèi)抽真空，真空低于3×10^-3Pa，然后對(duì)管坯端面進(jìn)行電子束焊接，使兩者接觸面之間的間隙保持真空，得到擠壓管坯。

(5)將擠壓管坯包上內(nèi)、外包套，在真空條件下在1150℃加熱，然后在擠壓機(jī)上進(jìn)行擠壓，得到軋制管坯。

(6)去除內(nèi)、外包套，將軋制管坯進(jìn)行清洗之后，通過(guò)軋制工藝獲得復(fù)合管。如圖3所示，其中鋯合金管(內(nèi)層管材1)和鈦合金管(外層管材2)之間形成一層冶金結(jié)合層3。

由于外層的Ti-6Al-4V鈦合金具有優(yōu)異的耐腐蝕性，特別是在高溫高壓水介質(zhì)中顯示出優(yōu)于鋯合金的抗腐蝕性，在反應(yīng)堆發(fā)生LOCA事故時(shí)能夠減緩高溫氧化；同時(shí)，Ti-6Al-4V鈦合金的高溫強(qiáng)度要優(yōu)于鋯合金，因此，該復(fù)合管的熱強(qiáng)性要優(yōu)于鋯合金。因此，與鋯合金包殼管相比，本發(fā)明的異種金屬?gòu)?fù)合管具有更為優(yōu)異的耐水側(cè)腐蝕性能和較高的熱強(qiáng)性，可提高燃料棒的抗LOCA事故的能力，適用于核反應(yīng)堆較高燃耗下或較高溫度下的燃料棒包殼管。

以上詳細(xì)描述了本發(fā)明的較佳具體實(shí)施例。應(yīng)當(dāng)理解，本領(lǐng)域的普通技術(shù)無(wú)需創(chuàng)造性勞動(dòng)就可以根據(jù)本發(fā)明的構(gòu)思做出諸多修改和變化。因此，凡本技術(shù)領(lǐng)域中技術(shù)人員依本發(fā)明的構(gòu)思在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上通過(guò)邏輯分析、推理或者有限的實(shí)驗(yàn)可以得到的技術(shù)方案，皆應(yīng)在由權(quán)利要求書(shū)所確定的保護(hù)范圍內(nèi)。