[发明专利]核电站燃料包壳用含硫高Nb的锆锡铌合金

说明书

技术领域

本发明涉及一种能用作压水堆核电站燃料包壳以及定位格架条带等结构材料含硫高Nb的锆锡铌合金，属于锆合金材料技术领域。 

背景技术

锆具有优异的核性能(热中子吸收截面为0.18靶恩)，并与氧化铀的相容性好，添加少量合金元素制成的锆合金具有良好的耐高温水腐蚀性能、良好的综合力学性能和较高的导热性能，因此在水冷核反应堆中锆合金被广泛用作燃料棒的包壳材料和燃料组件中的结构材料。为了保证核电站安全、高效和经济运行，除了在设计上进行改进外，提高燃料元件利用率是研究的主要内容。为此必须延长燃料元件在堆内的运行周期和循环次数。这就需要改进包壳材料的性能。锆合金包壳管的水侧腐蚀、吸氢和辐照增长是高性能燃料元件研究中重点关注的问题，其中，提高锆合金包壳的水侧耐腐蚀性能是关键。 

合金化是开发高性能锆合金的有效途径，但由于压水堆中的燃料元件包壳材料需要具有低的热中子吸收截面，因而锆合金中能够添加合金元素的种类和含量都非常有限。目前国际上开发的锆合金主要有Zr-Sn、Zr-Nb和Zr-Sn-Nb三大系列。在这三大体系锆合金中通过添加Fe、Cr、Ni、Cu等合金元素后，形成了已经应用的Zr-2、Zr-4、Zr-2.5Nb、E110、M5、ZIRLO、E635等锆合金。商业上应用最多的是Zr-4合金，虽然降低了锡含量后耐腐蚀性能得到进一步提高，但仍然不能满足燃耗进一步提高到55 GWd/tU的要求。ZIRLO、E110、E635、NDA、HANA、M5等都是各国为了提高燃料燃耗、降低核电成本而发展的新型锆合金。 

根据Wagner氧化膜成长理论和Hauffe原子价规律，任何外来的间隙阳离子都会减少阴离子空位数目，降低氧离子的扩散，但低于4价锆的置换阳离子和高于二价氧的阴离子都会使阴离子空位数目增多，加速腐蚀；如果加入同族或第ⅤB、ⅥB、Ⅷ族元素，当它们进入氧化膜时，将增加膜内的电子浓度，减少膜中阴离子空位，从而能抑制氧离子扩散，降低腐蚀速率。Sn可以固定N^3-及其产生的附加氧离子空位，降低空位迁移率，有效抵消杂质N的有害影响。Nb是锆中一种β相稳定元素，研究表明，添加含量0.15%～1.2%Nb，合金的耐腐蚀性能得到了提高，同时降低了吸氢。锆合金添加少量Fe、Cr，有利于合金耐腐蚀性能的提高也可能与此原理有关。从理论上讲，S和O属于同一主族，S的最低价态为S^2-，不会产生附加氧离子空位；同时S的热中子吸收截面小（0.49靶恩），从热中子吸收截面这一特性考虑，它也是非常合适的合金添加元素。 

在新锆合金的研发中，通常先通过堆外高压釜腐蚀试验筛选出耐腐蚀性能优良的合金，然后再做成燃料棒放在试验堆内进行辐照考验，了解其在堆内的腐蚀行为。 

发明内容

本发明的目的是提供一种耐腐蚀性能优良的核电站燃料包壳用含硫高Nb的锆锡铌合金，该锆合金能够在核电站压水堆中用作燃料元件包壳以及定位格架条带等结构材料。 

本发明的目的是通过在核电站燃料包壳用锆锡铌合金基础上添加合金元素硫来实现的，其技术方案如下： 

一种核电站燃料包壳用含硫高Nb的锆锡铌合金，该锆合金的化学组成以重量百分比计为：0.3%～1.5%Sn，0.6%～1.2%Nb，0.1%～0.6%Fe，0～0.2%Cr，0.0005%～0.06% S，余量为Zr。

上述核电站燃料包壳用含硫高Nb的锆锡铌合金，其合金元素以重量百分比计优选范围为：0.5%～1.2%Sn，0.6%～1.0%Nb，0.2%～0.5%Fe，0.06%～0.15%Cr，S含量分别为0.001%～0.015% S，0.015%～0.06% S，余量为Zr。 

上述核电站燃料包壳用含硫高Nb的锆锡铌合金，其合金元素以重量百分比计优选范围为：0.5%～1.2%Sn，0.6%～1.0%Nb，0.2%～0.5%Fe，S含量分别为0.001%～0.015% S，0.015%～0.06% S，余量为Zr。 

上述含硫高Nb的锆锡铌合金，其合金元素以重量百分比计优选范围为：0.6%～1.0%Sn，0.7%～0.9%Nb，0.2%～0.4%Fe，0.06%～0.1%Cr，S含量分别为0.001 %～0.015% S，0.015%～0.03% S，0.03%～0.045% S，0.045%～0.06% S，余量为Zr。