鋯是熱中子吸收截面最低的金屬之一，通過在鋯中添加一定的元素（錫、鐵、鉻等）制成的鋯合金具有良好的耐高溫水腐蝕性能、良好的綜合力學(xué)性能和較高的導(dǎo)熱性能等一系列優(yōu)點(diǎn)，是目前輕水反應(yīng)堆燃料元件唯一理想使用的包殼材料。與早期使用的奧氏體不銹鋼作為燃料包殼相比，采用鋯合金明顯減少了中子損失，提高了燃料的利用率。此外，鋯棒、鋯管等鋯合金還廣泛用于堆芯其他結(jié)構(gòu)材料，如燃料棒端塞,為燃料棒提供徑向和軸向支撐的定位格架，供組件相關(guān)棒插入的導(dǎo)向管,為容納燃料棒束和為十字形控制棒組件提供上下移動(dòng)通道的元件盒等。

通常，一座商業(yè)核電站中需要使用大量鋯材，我國秦山二期核電站（2x60 萬千瓦裝機(jī)容量），僅首爐裝料就使用了63888 支包殼管，重量約25 噸，以此計(jì)算一臺(tái)百萬千瓦級(jí)核電機(jī)組，每一個(gè)換料周期（12 個(gè)月或18 個(gè)月），1/3 的燃料組件需要更換，在整個(gè)壽命周期內(nèi)（40年）將消耗至少400噸鋯合金包殼。

隨著壓水堆燃料功率、安全可靠性和經(jīng)濟(jì)性的提高，作為長循環(huán)、高燃耗燃料元件的燃料包殼需要具有更優(yōu)異的性能，包括具有高的耐水側(cè)腐蝕性能和抗吸氫性能、高的抗輻照生長和蠕變性能，在事故條件下抗氧化和抗氫化、抗芯塊與包殼相互作用（PCI）的能力、以及良好的空間穩(wěn)定性等。自上世紀(jì)70年代以來，美、俄、法、日、韓等國通過總結(jié)改善燃料組件設(shè)計(jì)、調(diào)整和控制反應(yīng)堆運(yùn)行條件以及改善包殼材料腐蝕性能的研究，成功開發(fā)了各種新型鋯合金包殼材料，如ZIRLO、AXIOM、E635、M5、HANA、NDA、J-AlloyTM、MDA、M-MDA。

1、美國

美國西屋公司開發(fā)的ZIRLO 合金作為燃料元件的包殼材料，在BR3 堆中經(jīng)平均燃耗為71GWd/tU 的考驗(yàn)后，其均勻腐蝕比Zr-4 合金小50%，輻照生長和蠕變性能也優(yōu)于Zr-4合金。

AXIOM 是西屋公司開發(fā)的一種先進(jìn)包殼材料，目前有五種備選合金，分別是X1、X2、X4、X5 和X5A。開發(fā)AXIOM 的目的是滿足越來越富有挑戰(zhàn)的燃料管理計(jì)劃的要求?？傮w來講，設(shè)計(jì)的合金及其合適的顯微組織結(jié)構(gòu)獲得了更好的抗腐蝕性、較低的吸氫、較低的蠕變、較小的生長和對(duì)異常運(yùn)行工況及異常事件具有較好的抵抗能力。從2004 年在美國裝置上進(jìn)行了首次輻照以來，AXIOM 被納入了多個(gè)反應(yīng)堆和輻照計(jì)劃中。AXIOM合金在多個(gè)裝置中的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)以及在多種工況下的試驗(yàn)證明了其優(yōu)越的抗腐蝕性能。

2、俄羅斯

俄羅斯開發(fā)的E635 合金原計(jì)劃取代E110 合金作為RBMK 堆用燃料元件包殼材料，采用E635 合金制成的燃料棒經(jīng)試驗(yàn)堆和商業(yè)堆進(jìn)行了輻照考驗(yàn)，結(jié)果表明，E635 包殼燃料棒表面氧化生長速率與E110 相當(dāng)，其抗輻照蠕變和生長大大優(yōu)于E110 合金，入堆的E635 包殼燃料棒未發(fā)生破損。

3、法國

法國開發(fā)的M5合金在目前已商用的鋯合金包殼材料中表現(xiàn)出了極好的抗腐蝕性能，它含有1%的鈮，不含錫且能很好控制氧、鐵和硫的含量，并具有由于采用低溫工藝而形成的穩(wěn)定的全再結(jié)晶化微觀結(jié)構(gòu)，在高燃耗和大功率輻照條件下會(huì)產(chǎn)生非常低的腐蝕率，且吸氫量非常低。堆內(nèi)輻照考驗(yàn)表明，當(dāng)燃耗達(dá)到60GWd/tU時(shí)，M5合金的氧化膜厚度只有Zr-4合金的1/3，吸氫量只有Zr-4合金的1/5，而且輻照生長和蠕變性能都優(yōu)于Zr-4合金。

4、韓國

HANA 合金是韓國研究開發(fā)的鋯合金，目標(biāo)是滿足燃耗高達(dá)70GWd/tU的燃料包殼使用要求。HANA系列為含鋯鉻合金，并添加錫、鐵或銅等微量合金元素，以提高燃料包殼的抗腐蝕性能。從2003 年開始，HANA 系列合金入研究堆進(jìn)行堆內(nèi)性能試驗(yàn)，入堆輻照的HANA合金最終熱處理采用510℃退火，獲得部分再結(jié)晶（p-RXA）的顯微組織。結(jié)果證明其堆內(nèi)抗腐蝕性比Zr-4提高了30%-50%。其后，HANA-4和HANA-6入商用堆進(jìn)行輻照考驗(yàn)，結(jié)果證明其抗堆內(nèi)腐蝕和蠕變性能優(yōu)于參照鋯鉻合金包殼。

5、日本

J-AlloyTM 是日本開發(fā)的含鈮鋯合金系列，包括J1、J2 和J3 三種候選材料，含這三種候選材料的先導(dǎo)試驗(yàn)組件已入西班牙的商用堆進(jìn)行了2 個(gè)循環(huán)的考驗(yàn)，結(jié)果證明燃耗達(dá)到50GWd/tU時(shí)，J-AlloyTM的抗腐蝕性能優(yōu)于Zr-4、MDA。

M-MDA 是日本在MDA 合金基礎(chǔ)上的改進(jìn)合金，屬于鋯錫鉻（Zr-Sn-Nb）系合金，與MDA 合金相比，降低了合金中的錫、鐵含量，提高了鉻含量。目前，含MDA、M-MDA 材料的先導(dǎo)試驗(yàn)組件在西班牙的商用堆進(jìn)行了4 個(gè)循環(huán)的考驗(yàn)，結(jié)果證明M-MDA 最大燃 耗達(dá)到73GWd/tU時(shí)，其抗腐蝕性能優(yōu)于Zr-4、MDA。國際上發(fā)達(dá)國家在開發(fā)新型高性能鋯合金的同時(shí)，通過優(yōu)化合金成分配比或者添加其它合金元素、改進(jìn)加工工藝等方式還可開發(fā)出更加優(yōu)良的鋯合金，以滿足燃耗不斷提高的需要。在新型鋯合金成分改進(jìn)方面，法國在總結(jié)M5 合金的使用經(jīng)驗(yàn)后開展了對(duì)M5 鋯合金的優(yōu)化改進(jìn)，由于M5 合金在堆內(nèi)運(yùn)行過程中出現(xiàn)了燃料棒或燃料元件彎曲以及抗輻照生長性能差等異?，F(xiàn)象，因此法國在M5 合金成分基礎(chǔ)上添加了少量的錫及鐵，在保持合金優(yōu)良耐腐蝕性能基礎(chǔ)上大幅改善了合金的力學(xué)性能，尤其是蠕變及輻照生長性能。美國西屋公司針對(duì)ZIRLO 合金的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，研制出優(yōu)化ZIRLO 合金，是將ZIRLO 合金的錫水平從約1%降至0.6%到0.8%的范圍，采用優(yōu)化ZIRLO 的先導(dǎo)試驗(yàn)組件（LTA）入堆運(yùn)行。與ZIRLO相比，優(yōu)化的ZIRLO的包殼和結(jié)構(gòu)組件具有以下性能：相似的燃料棒包殼蠕變、相似的PCI 破損閾值、相似的高溫氧化動(dòng)力學(xué)和淬火后延伸行為、燃料棒腐蝕降低40%、較低的結(jié)構(gòu)腐蝕和吸氫、高燃耗下較低的燃料組件生長率。2008年以來，采用優(yōu)化ZAIRLO的燃料棒在14個(gè)電廠進(jìn)行了堆內(nèi)運(yùn)行考驗(yàn)。

我國自主設(shè)計(jì)的燃料元件

在新型鋯合金工藝改進(jìn)方面，采用合適的熱加工工藝還可以進(jìn)一步改善鋯合金的性能。如ZIRLO、M5等，由于這些合金中的鈮含量較高，其大部分會(huì)以第二相形式析出，在加工過程中，如果熱加工溫度過高，發(fā)生第二相的粗化和不均勻分布，可能會(huì)引起耐腐蝕性能變差，因而都強(qiáng)調(diào)要采用“低溫加工工藝”，即在包殼管材加工過程中，采用較低熱加工溫度及退火溫度的低溫加工工藝能夠獲得細(xì)小彌散的第二相組織，大幅改善了合金的腐蝕及力學(xué)性能，尤其是耐腐蝕性能。

總的來說，高燃耗燃料的設(shè)計(jì)，要求延長這些部件在堆內(nèi)的停留時(shí)間和提高冷卻劑溫度，從而使得鋯合金部件面臨著更為苛刻的使用環(huán)境，這些高要求促進(jìn)了改善鋯合金包殼性能的研究，同時(shí)推動(dòng)了對(duì)具有更優(yōu)良的性能的新型鋯合金的開發(fā)。

（作者單位：中國核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院）