破損燃料棒二次氫化行為觀察與分析

錢 進(jìn)，郭一帆，王 鑫，褚鳳敏，郭麗娜，卞 偉，梁政強(qiáng)

(中國原子能科學(xué)研究院 反應(yīng)堆工程技術(shù)研究部，北京 102413)

燃料元件破損問題是影響核電運(yùn)行安全的重要問題。對于壓水堆燃料棒破損現(xiàn)象，按照破損發(fā)展時序，由于某種原因(如制造缺陷、異物磨蝕、格架磨蝕、一次氫化等)，燃料棒出現(xiàn)初次破口后，冷卻劑從初次破口進(jìn)入燃料棒內(nèi)部，遇到高溫芯塊汽化成水蒸氣，水蒸氣由于鋯-水反應(yīng)、UO2芯塊氧化、輻射分解等原因生成H2。當(dāng)局部芯-包間隙內(nèi)的水蒸氣消耗速度過快，造成H2/H2O比值持續(xù)升高，達(dá)到某一臨界值時，會在鋯合金內(nèi)壁某一缺陷部位(如氧化膜破裂部位)快速吸氫從而導(dǎo)致二次氫化破損發(fā)生。二次氫化破損是導(dǎo)致燃料棒發(fā)生嚴(yán)重破損的重要原因[1-4]。

國內(nèi)核電站在運(yùn)行過程中也發(fā)生過燃料元件破損問題。本研究小組針對實(shí)際工況下的破損燃料棒，在中國原子能科學(xué)研究院燃料與材料檢驗(yàn)設(shè)施(303熱室)上開展了相關(guān)輻照后檢驗(yàn)，并采用熱室金相手段對二次氫化行為進(jìn)行了觀察分析。本文擬對燃料棒二次氫化部位的包殼和芯塊微觀組織的變化進(jìn)行研究，并分析二次氫化對燃料棒行為的影響。

1 燃料棒輻照后檢驗(yàn)

采用國內(nèi)商業(yè)壓水堆核電站破損乏燃料棒(破損棒)和未破損乏燃料棒(未破損棒)作為研究對象，通過對比分析破損棒和未破損棒輻照后檢驗(yàn)結(jié)果，研究燃料棒二次氫化行為特征。

輻照后檢驗(yàn)的燃料棒燃耗處于10～45 GW·d/t(U)范圍內(nèi)，長度為3 867.1 mm，直徑為9.5 mm，從下端至上端，共8個格架，7個跨度段(Span)。燃料棒包殼材料為M5鋯合金，芯塊為UO2，富集度為1.80%～4.45%。

輻照后檢驗(yàn)時外觀檢查發(fā)現(xiàn)破損棒存在多處二次氫化破口。對破損棒二次氫化破口代表部位進(jìn)行切割取樣和熱室金相分析。另外，為反映正常狀態(tài)下燃料棒的輻照性能，對未破損棒沿軸向間隔一定距離進(jìn)行切割取樣和熱室金相分析。

破損棒和未破損棒取樣分析位置信息列于表1。破損棒二次氫化部位典型的外觀形貌照片示于圖1。

2 二次氫化破口形貌組織觀察與分析

2.1 氫化腫脹

破損棒氫化破口普遍存在氫化腫脹現(xiàn)象，且氫化腫脹程度與二次氫化部位的氫化程度有明顯關(guān)系，氫化物聚集較多的部位氫化腫脹現(xiàn)象明顯。圖2為典型的氫化腫脹破口。

2.2 “日爆”現(xiàn)象和氫化物擴(kuò)散過程分析

氫化腫脹破口典型的氫化物形貌照片示于圖3、4?？梢?，破口附近氫化物聚集，形成“日爆”現(xiàn)象。氫化物分布形貌特征表現(xiàn)為：從內(nèi)壁吸收的氫，沿徑向分階段聚集和擴(kuò)散；同時內(nèi)壁的氫化裂紋表現(xiàn)為從內(nèi)壁向外壁沿徑向開裂(圖4a)，外壁氫化裂紋表現(xiàn)為從外壁向內(nèi)壁沿徑向開裂(圖4b)；另外，氫化物擴(kuò)散過程中，在包殼氫化部位和未氫化部位的交界面上，易形成周向開裂裂紋(圖5)。

圖1 典型二次氫化部位外觀形貌Fig.1 Photo of typical secondary hydriding site of fuel rod

圖2 典型氫化腫脹破口(P-5棒)Fig.2 Typical hydride swelling break (P-5)

圖3 “日爆”現(xiàn)象和氫化物分層擴(kuò)展聚集(P-5棒)Fig.3 “Sun-burst” phenomenon and diffusion and aggregation of hydride in stage (P-5)

分析認(rèn)為，氫化裂紋、氫化物分布及氫的擴(kuò)散聚集過程與氫化物導(dǎo)致的包殼應(yīng)力狀態(tài)演化具有顯著的相關(guān)性。圖6為缺陷管應(yīng)力狀態(tài)模擬與試驗(yàn)中觀察到的缺陷部位氫化物聚集狀態(tài)對比，可看到，氫化物聚集狀態(tài)與應(yīng)力分布狀態(tài)較一致。

圖4 P-5棒內(nèi)壁氫化裂紋(a)和P-2棒外壁氫化裂紋(b)Fig.4 Inner wall hydriding crack of P-5 (a) and outer wall hydriding crack of P-2 (b)

圖5 “日爆”現(xiàn)象和氫化裂紋(P-1棒)Fig.5 “Sun-burst” phenomenon and hydriding crack (P-1)

圖6 缺陷管應(yīng)力狀態(tài)模擬(a)與P-4棒氫化物聚集形貌(b)Fig.6 Simulation sketch of stress distribution in defected tube (a) and morphology of hyride aggregation of P-4 (b)

當(dāng)包殼內(nèi)壁局部氫化時，由于氫化鋯體積較鋯基體大16%[5]，導(dǎo)致沿徑向上包殼整體呈現(xiàn)拉應(yīng)力狀態(tài)，且拉應(yīng)力集中區(qū)位于內(nèi)壁氫化物聚集區(qū)(等效為缺陷區(qū))附近和包殼外壁附近(圖6a)。在應(yīng)力梯度和溫度梯度作用下，一方面包殼內(nèi)壁吸收的氫向內(nèi)壁氫化物聚集形成的應(yīng)力集中區(qū)擴(kuò)散，另一方面內(nèi)壁氫化物聚集區(qū)的氫向外壁應(yīng)力集中區(qū)擴(kuò)散，由此形成氫化物沿徑向分階段聚集和擴(kuò)散現(xiàn)象。

另外，在較大拉應(yīng)力作用下，內(nèi)壁和外壁氫化物聚集區(qū)均可出現(xiàn)氫化裂紋。且隨著內(nèi)壁氫化物聚集區(qū)中的氫持續(xù)向外壁氫化物聚集區(qū)遷移擴(kuò)散，內(nèi)壁氫化物聚集區(qū)中的氫化鋯重新轉(zhuǎn)化為鋯基體，并留下氫化開裂裂紋。

2.3 氫化破口對氫化物分布和取向的影響

對于未破損棒，氫化物主要為周向分布(圖7)。對于破損棒，氫化破口周圍的包殼氫化物分布狀態(tài)與氫化破口的氫化程度有一定關(guān)系。對于局部氫化程度較輕的位置，其周圍氫化物分布和取向與未破損棒較一致(圖8a)；對于嚴(yán)重氫化位置(P-3棒氫化破口為大破口)，由于周圍應(yīng)力狀態(tài)的改變，其周圍氫化物取向可由周向變?yōu)閺较?圖8b)。

W-1棒，Span6位置圖7 未破損棒典型氫化物分布Fig.7 Typical hydride distribution of intact rod

a——周向分布，P-1棒；b——徑向分布，P-3棒圖8 氫化破口附近氫化物分布Fig.8 Hydride distribution near hydriding break site of failure rod

2.4 氫化破口包殼氧化特征

對于未破損棒，包殼外壁存在致密的水側(cè)腐蝕氧化膜(圖9a)，最大厚度氧化膜位于Span6位置，符合正常壓水堆水側(cè)腐蝕氧化膜分布趨勢[6]。高燃耗棒樣品包殼內(nèi)壁存在致密的氧化膜，厚度在7.2～9.0 μm范圍內(nèi)，小于水側(cè)腐蝕氧化膜厚度(圖9b)。

對于破損棒，水側(cè)腐蝕氧化膜厚度與包殼氫化狀態(tài)差異不大，也為致密結(jié)構(gòu)(圖10)。二次氫化破口位置，其內(nèi)壁普遍存在不均勻、有層狀開裂的氧化膜，厚度遠(yuǎn)大于水側(cè)腐蝕氧化膜，最大厚度可達(dá)150 μm(圖11a)。二次氫化裂紋內(nèi)部被氧化，氧化膜為疏松結(jié)構(gòu)(圖11b)。

圖9 未破損棒(W-1棒)水側(cè)(a)和內(nèi)壁(b)氧化膜形貌典型照片F(xiàn)ig.9 Typical metllagraphy of waterside (a) and inner wall (b) oxide film of intact rod

a——遠(yuǎn)離氫化破口部位；b——靠近氫化破口部位圖10 破損棒(P-1棒)水側(cè)腐蝕氧化膜形貌Fig.10 Metllagraphy of waterside oxide film of failure rod (P-1)

圖11 破損棒內(nèi)壁氧化膜(a)及氫化裂紋中氧化膜(b)形貌Fig.11 Cladding inner wall oxide film of failure rod (a) and oxide film in hydriding crack (b)

除P-3棒外，其他4根破損棒取樣位置均處于第6跨度或靠近第6跨度位置，按照未破損棒水側(cè)腐蝕氧化膜厚度與軸向位置的關(guān)系，該位置屬于水側(cè)腐蝕氧化膜最大厚度范圍處。圖12為取樣位置相近的4根破損棒和未破損棒最大水側(cè)氧化膜厚度與燃耗的關(guān)系。可看出，水側(cè)氧化膜厚度隨燃耗有增大的趨勢。另外，同一燃耗下，燃料棒破損后，水側(cè)氧化膜厚度有增加的趨勢，但相比于M5合金文獻(xiàn)[7]報道的水側(cè)腐蝕氧化膜數(shù)據(jù)，仍處于正常范圍內(nèi)。

圖12 破損棒和未破損棒最大水側(cè)氧化膜厚度與燃耗的關(guān)系Fig.12 Thickness of waterside oxide film vs. burnup for failure rod and intact rod

3 二次氫化破口對燃料芯塊行為的影響

圖13 未破損棒(a)和破損棒(b)氫化部位芯塊蝕刻組織Fig.13 Fuel pellet etching structure for intact rod (a) and failure rod (b) at hydriding position

包殼發(fā)生二次氫化后，對燃料芯塊行為會產(chǎn)生顯著影響。圖13為典型未破損棒和破損棒氫化部位芯塊蝕刻組織整體形貌，圖中芯塊中間的黑圈形貌為芯塊晶粒內(nèi)部高密度亞顯微氣泡析出組織，該類型氣泡組織一般在1 200 ℃形成，因此，黑圈組織也反映了芯塊內(nèi)部1 200 ℃的等溫區(qū)位置[8]。從圖13a可看出，未破損棒芯塊內(nèi)部溫度基本處于對稱分布；從圖13b可看出，包殼發(fā)生氫化后，氫化明顯改變了芯塊內(nèi)部溫度分布狀態(tài)，使得等溫區(qū)向氫化部位偏移，氫化部位芯塊溫度有升高現(xiàn)象。

芯塊微觀組織觀察表明，對于未破損棒，在徑向不同部位，芯塊氣孔均未發(fā)生遷移，芯塊晶粒為等軸晶，均未發(fā)生長大現(xiàn)象(圖14)。

圖14 未破損棒芯塊微觀組織形貌Fig.14 Fuel pellet microstructure of intact rod

對于破損棒二次氫化部位，芯塊邊緣部位組織與未破損棒芯塊組織相似(圖15a、b)；芯塊中間部位普遍存在氣孔遷移、芯塊晶粒長大現(xiàn)象(圖15c、d)，并觀察到柱狀晶組織(圖16)；芯塊中心部位氣孔明顯增加，且氣孔分布在晶界上，晶粒沒有明顯長大現(xiàn)象(圖15e、f)。

圖15 破損棒氫化部位芯塊微觀組織形貌Fig.15 Fuel pellet microstructure at hydriding position of failure rod

燃料芯塊氣孔遷移擴(kuò)散、晶粒長大通過蒸發(fā)-凝聚機(jī)制形成，一般發(fā)生在溫度約1 800 ℃以上。對于壓水堆燃料棒，一般情況下，線功率約160～240 W/cm、中心溫度約1 300～1 400 ℃以下，基本觀察不到芯塊微觀組織顯著變化，未破損棒芯塊觀察結(jié)果符合該情況。

圖16 柱狀晶組織Fig.16 Columnar crystal grain

對于破損棒，芯塊氣孔遷移和晶粒柱狀晶生長應(yīng)由幾個因素共同作用造成。1) 由于水蒸氣進(jìn)入燃料棒芯塊-包殼間隙，一方面水蒸氣熱導(dǎo)率較He氣低，另一方面由于包殼內(nèi)壁氧化生成的氧化膜和包殼鋯合金基體氫化，導(dǎo)致芯塊傳熱環(huán)境惡化，使得芯塊內(nèi)部溫度上升。此外，也有報道[9-10]認(rèn)為，在水蒸氣氧化環(huán)境下，UO2芯塊化學(xué)計(jì)量比向超化學(xué)計(jì)量比轉(zhuǎn)變，也會導(dǎo)致UO2芯塊熱導(dǎo)性能下降，引起芯塊溫度上升。因此，二次氫化破口部位相比正常狀態(tài)，芯塊溫度會明顯上升。2) UO2芯塊外部邊緣開始發(fā)生水蒸氣氧化，氧原子向芯塊中心部位擴(kuò)散，形成芯塊徑向上氧濃度梯度。有報道[11-13]認(rèn)為，在氧化環(huán)境下，UO2化學(xué)計(jì)量比增加，會導(dǎo)致芯塊晶粒尺寸迅速增加。

本研究中，由于觀察到破損棒芯塊中間部位晶粒尺寸明顯增長，而芯塊中心部位(溫度最高區(qū))晶粒尺寸未增長，分析認(rèn)為：水蒸氣進(jìn)入燃料棒內(nèi)部后，會導(dǎo)致芯塊溫度升高，但不足以使得正化學(xué)計(jì)量比UO2芯塊晶粒發(fā)生快速生長(芯塊中心部位)；但氧化環(huán)境下芯塊化學(xué)計(jì)量比的改變，使得該溫度滿足超化學(xué)計(jì)量比UO2芯塊晶粒發(fā)生快速生長(芯塊中間部位)。

總之，對于二次氫化部位，芯塊由于溫度上升和化學(xué)計(jì)量比狀態(tài)改變，導(dǎo)致易發(fā)生氣孔遷移和芯塊柱狀晶生長現(xiàn)象。

4 結(jié)論

1) 破損棒二次氫化破口有明顯的氫化腫脹現(xiàn)象，氫化物擴(kuò)散聚集形貌表明氫化物分階段從內(nèi)壁擴(kuò)散到外壁，并形成“日爆”現(xiàn)象；氫化裂紋、氫化物分布、氫的擴(kuò)散聚集過程，與氫化物導(dǎo)致的包殼應(yīng)力狀態(tài)演化有顯著的相關(guān)性。

2) 破損棒水側(cè)腐蝕氧化膜厚度與包殼氫化狀態(tài)關(guān)系不明顯；相比未破損棒，破損棒水側(cè)腐蝕氧化膜厚度有增加現(xiàn)象，但仍處于正常范圍內(nèi)。

3) 二次氫化部位包殼內(nèi)壁普遍存在氧化膜，氧化膜分布不均勻，厚度普遍大于水側(cè)腐蝕氧化膜。

4) 二次氫化部位芯塊普遍存在氣孔遷移、晶粒長大和柱狀晶生長現(xiàn)象，該現(xiàn)象與燃料棒破損后芯塊溫度上升、UO2化學(xué)計(jì)量比改變有密切關(guān)系。