燃料元件包壳材料CN-1515不锈钢在可控氧铅铋环境下的腐蚀行为

国产CN-1515不锈钢因其良好的抗辐照肿胀能力和高温力学性能成为铅铋快堆燃料包壳的主要候选材料。在铅铋冷快堆中,由于液态铅铋合金对金属材料具有强烈的腐蚀性,会影响到反应堆的安全稳定运行,因此,铅铋冷快堆中结构材料应用还需充分考虑耐液态铅铋腐蚀性能。本文以国产CN-1515奥氏体不锈钢为研究对象,在自行研发的控氧静态铅铋腐蚀实验装置上,开展了高温铅铋腐蚀实验。实验温度分别为450、500、550、600 ℃,实验时间分别为1 000、3 000、6 000 h,液态铅铋合金中氧含量控制在10^-6%～10^-7%之间。实验结果表明,低温（T≤450 ℃）下,CN-1515不锈钢表面会生成一层保护性氧化膜,但随着腐蚀时间的增加,氧化膜会逐渐疏松而失去其保护作用;然而温度大于500 ℃时,不锈钢发生严重的Ni元素溶解腐蚀,腐蚀深度随温度的升高和时间的延长而增加。     

铅铋合金环境中高强AlCrFeNi多主元合金的腐蚀行为

传统结构材料限制了铅铋核能系统性能的进一步提高，为给铅铋反应堆提供高性能结构材料，针对高强Al₁₇Cr₁₀Fe₃₇Ni₃₆多主元合金开展了高温静态铅铋合金环境相容性研究。研究表明，在500～600℃的铅铋饱和氧环境下，合金形成致密的Fe-Cr-Al-O氧化膜与疏松的氧化铁双层氧化膜结构，双层氧化膜厚度仅有1.5μm，氧化膜生长速率极低；Fe-Cr-Al-O氧化膜在高温铅铋环境具有极佳的致密性、结构与组织稳定性，显著保护了液态铅铋向基体溶解。相比于传统的铁素体/马氏体钢(F/M钢)、奥氏体不锈钢，Al₁₇Cr₁₀Fe₃₇Ni₃₆多主元合金在高温铅铋环境中应用具有明显的优势。     

液态铅铋回路设计研制与材料腐蚀实验初步研究

铅铋合金共晶体是加速器驱动次临界系统(ADS)重要的散裂靶材料和冷却剂候选材料,也是先进快中子堆的重要冷却剂材料,液态铅铋回路是开展液态铅铋合金相关技术研究的必备实验平台。FDS团队正在设计研制KYLIN系列铅铋实验回路,本文基于中国首座热对流铅铋回路KYLIN-Ⅰ开展了马氏体钢T92、CLAM和奥氏体钢316L在480℃下,流速为0.14 m/s的饱和氧浓度铅铋中的腐蚀实验研究。初步实验结果显示,三种实验材料均发生氧化腐蚀。     

U-Zr合金燃料与铅、铋及其合金静态相容性研究

U-Zr合金燃料与液态铅、铋及其合金静态相容性是铅铋冷却反应堆燃料论证及设计的重要依据。试验选取600oC,保温1 000 h范围内,开展了U-Zr合金燃料与铅、铋及其合金静态相容性的研究。采用扫描电镜(Scanning Electronic Microscopy,SEM)及X射线衍射(X-ray Diffraction,XRD)分析了U-Zr合金燃料与铅铋等合金的界面反应情况,试验结果表明:U-Zr合金样品在铅铋合金的长时间(1 000 h)作用下,产生了不同程度的侵蚀现象,侵蚀程度可达到mm级。纯铋、纯铅、铅铋、铅锡、铅铋锡等均对U-Zr芯块有一定程度的侵蚀,其侵蚀程度排序约为BiPb-BiPb-Bi-SnPb≈Pb-Sn。U-Zr芯块的腐蚀机理为溶解和共晶形成金属间化合物的综合过程,U和Pb、Bi分别能够形成金属间化合物UPb_3和UBi_2。U-Zr芯块的侵蚀程度取决于U和Zr在冷却剂成分中的固溶度和共晶反应速率。     

液态铅铋氧浓度测量技术初步研究

液态铅铋合金是加速器驱动次临界系统(ADS)中散裂靶兼冷却剂的主要候选材料。氧浓度是影响液态铅铋合金(LBE)对结构材料腐蚀的关键因素,而氧传感器是实现液态铅铋合金中氧浓度精确测量的重要部件,本研究设计研制了一种液态铅铋系统氧传感器并基于自主研制的高温液态铅铋合金氧测控预研平台,初步开展了氧饱和LBE中的氧浓度测量实验。实验结果显示,300～400℃的氧饱和LBE中,氧传感器的电压信号(E)随温度(T)变化的实验曲线与理论曲线变化趋势相吻合;相对于300℃T350℃温度范围,氧传感器在350℃T400℃范围内的测量性能更好,仪器本身的系统误差约为17mV。     

Preliminary study on the measurement technology of oxygen concentration in liquid lead bismuth

液态铅铋合金是加速器驱动次临界系统(ADS)中散裂靶兼冷却剂的主要候选材料.氧浓度是影响液态铅铋合金(LBE)对结构材料腐蚀的关键因素,而氧传感器是实现液态铅铋合金中氧浓度精确测量的重要部件,本研究设计研制了一种液态铅铋系统氧传感器并基于自主研制的高温液态铅铋合金氧测控预研平台,初步开展了氧饱和LBE中的氧浓度测量实验.实验结果显示,300～400℃的氧饱和LBE中,氧传感器的电压信号(E)随温度(T)变化的实验曲线与理论曲线变化趋势相吻合;相对于300℃＜T＜350℃温度范围,氧传感器在350℃＜ T＜400℃范围内的测量性能更好,仪器本身的系统误差约为17mV.     

纯Fe和316L不锈钢在液态锂铅合金中的腐蚀行为

采用挂片法、失重法和金相表面分析,进行了高纯Fe和316L不锈钢2种结构材料在350~550 ℃液态LiPb合金中静态腐蚀行为的研究。研究结果表明,温度及结构材料组分元素在液态LiPb合金中的溶解和质量迁移是导致材料腐蚀的主要原因,合金、结构材料表面的氧化皮也是影响静态腐蚀行为的一种重要参数。     

液态铅铋合金流动速度场测量技术研究

液态铅铋合金是先进反应堆-加速器驱动的次临界系统(ADS)优选的靶材和冷却剂材料,液态铅铋流动速度场的测量是优化堆芯组件分布以及靶窗结构的一种重要手段。同时,冷却剂流动速度也是反映反应堆热工水力特征的重要参数之一。本文采用实验研究的方法,设计旋转搅动装置,通过对常温水与液态铅铋的流动速度场测量,验证了超声多普勒测速技术用于液态铅铋合金速度场测量的可行性。     

环形通道内液态铅铋合金流动换热特性实验研究

通过对环形通道内液态铅铋合金的流动换热特性进行实验研究，得到了气泡泵注气对液态金属流动的影响，并拟合出环形通道内液态铅铋合金的摩擦系数关系式和换热特性关系式。结果表明：采用气泡泵注气能有效提升铅铋合金的质量流速；相同Reynolds数下环形通道内液态铅铋合金的摩擦系数大于由布拉休斯公式计算得到的摩擦系数；液态铅铋合金对流换热过程中，导热项占主导地位，并且Nusselt数随Peclet数的增大而增大。     

Al、(Al,Si)涂层的制备及其在550℃液态铅铋合金中的防腐蚀性能研究

液态铅铋是加速器驱动次临界系统(ADS)的冷却剂兼散裂靶主选材料之一,作为加速器ADS系统中最合适的候选结构材料之一的奥氏体不锈钢316L,如果在高温液态铅铋合金(LBE)中遭受腐蚀会严重影响系统的安全性,因此必须要提高结构钢材的高温防腐蚀性能。本文利用热蒸发法在奥氏体不锈钢316L表面制备了Al及Si掺杂Al的Al-Si,Si-Al和Al(Si)四种涂层。利用X射线衍射,扫描电子显微镜和能谱仪表征和分析了涂层的相结构和显微结构。将四种涂层在550℃液态铅铋防腐1 000 h后,研究了它们的防腐蚀性能。结果表明,在目前的腐蚀条件下,四种涂层均具有良好的防LBE腐蚀性能,其中Al-Si涂层的防腐蚀性最好。     

液态锂铅合金中316L不锈钢的静态腐蚀行为

采用挂片法、失重法和金相分析,开展了结构材料316L不锈钢在液态锂铅(LiPb)合金中静态腐蚀行为的研究.研究结果表明:316L不锈钢中的组分元素,在液态LiPb合金中发生了溶解和质量迁移,这是导致材料腐蚀的主要原因,而温度和合金中的氧含量是影响静态腐蚀行为最重要的参数.     

T91钢在氧浓度为0.01ppm静态铅铋合金中的界面腐蚀特征

开展了铅基反应堆候选结构材料T91钢在500℃、0.01ppm氧浓度、静态铅铋共晶合金(LBE)中的腐蚀行为研究,腐蚀时间依次为500、1 000、2 000h。采用SEM观察腐蚀界面组织形貌,并结合EDX分析界面产物成分及元素扩散行为。结果显示:T91钢发生了氧化腐蚀,表面生成了具有3层结构的氧化膜。最外层为疏松且有LBE渗透的Fe3O4层,中间层为致密且具有保护性的(Fe,Cr)3O4层,最内层为富含铬元素的内氧化层(IOZ)。随着腐蚀时间的增加,Fe3O4层和(Fe,Cr)3O4层的厚度先快速增加,在1 000h时分别达到6.5μm和7.4μm;随着腐蚀时间进一步增加,Fe3O4层的厚度略有减小而(Fe,Cr)3O4层的厚度略有增加,而IOZ的厚度却一直近似以线性规律缓慢增加。     

先进裂变堆用铅铋合金固态性能研究进展

铅基快堆由于其长换料周期、高固有安全性、高功率密度等特点在军事、民用领域具有巨大的应用潜力。文章从铅铋合金相图、合金密度和体积变化、固态力学性能三个方面阐述了铅铋合金组织及性能的研究进展。文献显示,合金中Pb、Bi元素配比,主要溶解元素Fe、Cr、Ni,外加元素（Cd、杂质）对LBE抗拉强度、体积变化等产生不同程度影响;凝固冷速影响样品微观组织以及达到最大膨胀量的时间;时效和应变速率影响合金的屈服强度,并提出了铅铋合金需要进一步研究的主要内容。     

液态金属中固态颗粒物运动特性的数值模拟

液态铅铋合金(Liquid Lead-Bismuth alloy,LBE)是第4代液态金属冷却反应堆首选的冷却剂材料,但面临氧浓度降低困难的问题,理论上通过氢化锂与氧反应可以降低其中的氧浓度,然而反应产物不溶性微小颗粒物氧化锂会威胁反应堆的安全运行。以铅铋合金系统的膨胀箱为研究对象,利用fluent软件对圆柱形箱体内固态颗粒物运动进行分析和模拟,连续相采用标准k-ε模型,固相颗粒物采用离散相模型(Discrete Phase Model,DPM),研究铅铋合金中氧化锂颗粒物的运动规律。结果显示:大直径的氧化锂颗粒上浮时间短,在径向方向的位移小,导致靠近轴心的浓度较高,小直径的氧化锂颗粒上浮时间长,在径向方向的位移大,导致靠近轴心的浓度较低。为后续铅铋合金系统的净化与控制提供参考。     

卧式铅铋堆芯氧化腐蚀特性研究

为开展卧式铅铋堆芯氧化腐蚀特性研究,本研究建立液态铅铋氧化腐蚀模型,并基于计算流体动力学方法,运用输运方程源项自定义方法实现耦合计算。研究表明,基准工况下堆芯燃料棒表面氧化层最厚位于出口位置处,中心位置燃料棒表面氧化层厚度显著高于靠近燃料组件盒燃料棒表面氧化层。10000 h后中心位置燃料棒表面仍保持双层氧化层结构,双层氧化层平均总厚度为1.32μm。本研究提出了铅铋堆芯氧化腐蚀特性数值模拟研究方法,能够用于铅铋堆芯氧化腐蚀的预测。     

饱和氧浓度铅铋共晶合金中Cu/Cu2O型氧传感器性能研究

共晶在池式液态铅铋合金固态氧控实验装置平台上进行了Cu/Cu2O型氧传感器的研发和测试，氧控平台从500℃阶梯式降温到300℃，降温过程铅铋合金中通入95%Ar+5%O2的混合气体令液态铅铋共晶合金（LBE）保持氧饱和状态。结果表明，在300~500℃温度区间内，采用Cu/Cu2O作为参比电极的氧传感器从准确性、响应性上都表现出良好的性能；氧传感器能迅速地对因温度变化而带来的氧浓度变化做出响应；氧传感器测量的电动势与理论电动势的相对误差保持在±3%内，氧浓度误差保持在±10%内，信号波动小于1.7 mV。      

包壳材料316Ti在液态铅铋中的腐蚀氧化层分析

本文利用自主研制的液态铅铋腐蚀试验装置,开展了中国铅基研究实验堆候选包壳材料316Ti在500℃氧饱和液态铅铋中3 000h的腐蚀试验。利用SEM及能谱仪对腐蚀后的样品进行了分析,结果显示316Ti样品腐蚀后形成了双层氧化膜,外层为疏松的Fe3O4氧化物,内层为致密的Fe-Cr尖晶石。随腐蚀时间的增加,外层氧化膜厚度变化不明显,但内层氧化膜逐渐增加,同时内层氧化膜沿晶界向基体生长,呈现出晶间腐蚀的特征。     

铅铋快堆SGTR事故下高压过冷水注入高温铅铋合金流动传热数值模拟研究

铅铋快堆内蒸汽发生器传热管两侧为高压过冷水和高温铅铋冷却剂，传热管两侧较大的压差和温差以及液态铅铋合金（LBE）的腐蚀效应可能造成蒸汽发生器传热管破裂（SGTR）事故。深入研究事故后高压过冷水冲击高温液态LBE的射流沸腾和相变产物蒸汽扩散的特征，具有十分重要的学术意义和工程应用价值。为揭示事故工况下液态LBE与水相互作用的传热传质机理，基于流体体积（VOF）方法，结合LES湍流模型和Lee相变模型，建立了水/蒸汽-液态铅铋多相流动与传热的三维数值计算模型，系统研究了高压过冷水注入高温LBE内发生的相变传热过程。结合注入压力及过冷水温度等因素，分析了射流沸腾过程中不同工况对射流形态、迁移深度以及沸腾行为的影响，研究结果可为SGTR事故工况下堆芯安全性预测提供指导。     

T91和316L钢在氧控铅铋中600小时后腐蚀产物分析

本文开展了铅铋反应堆典型候选结构材料T91和316L钢在温度480℃、氧质量分数10~(-6)%、流速0.3 m/s的铅铋合金环境中600 h的初步腐蚀实验研究。利用显微镜(SEM)、能谱仪(EDS)和X射线衍射仪(XRD)等微观测试手段,对材料的腐蚀界面形貌及产物进行了分析,初步结果显示:在实验条件下T91和316L钢基体均未发生铅铋渗透及溶解腐蚀现象,腐蚀类型均为氧化腐蚀。T91钢样品表面氧化层较厚(约11μm),且分为内外两层:外层结构疏松,主要成分为Fe_3O_4。内层结构致密,主要成分为(Fe,Cr)_3O_4;而316L钢表面单层氧化层较薄(约1μm),主要成分为(Fe,Cr)_3O_4。     

液态铅铋电磁流量计初步标定实验与分析

铅铋合金(Lead-Bismuth Eutectic,LBE)是加速器驱动次临界系统主选冷却剂材料之一,其热工流量测量面临高温、强腐蚀等苛刻环境。电磁流量计(Electromagnetic flow-meter,EMFM)是目前国际上用于铅铋流量测量的主选设备之一。研究发现,铅铋电磁流量计的标定技术对于其准确测量具有重要作用。本文基于PREKY铅铋技术预研实验平台,对自主研制的高温铅铋电磁流量计进行了标定实验与分析。在温度为350oC、流量为3.8–4.5m3?h-1的工况下,获得了液态铅铋电磁流量计的标定公式。标定公式计算值与实验值之间的误差范围是-4.9%–5.9%。