嚴(yán)斌 趙冠楠

摘要：現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)體系中， Fe 元素作為重水堆 Zr-2.5Nb 合金壓力管中的雜質(zhì)元素，含量上限受到嚴(yán)格控制。對(duì)已建成重水堆用 Zr-2.5Nb 合金壓力管材料的堆內(nèi)輻照試驗(yàn)表明， Fe 元素含量較高會(huì)降低輻照生長(zhǎng)及輻照蠕變導(dǎo)致的變形應(yīng)變。歸因于 Fe 元素對(duì)空位在α-Zr 晶粒內(nèi)的移動(dòng)性的增強(qiáng)作用?？瘴坏募铀龠\(yùn)動(dòng)促進(jìn)了空位型位錯(cuò)環(huán)的形成，同時(shí)位錯(cuò)應(yīng)力場(chǎng)的對(duì)稱(chēng)性減小了位錯(cuò)環(huán)的拉伸應(yīng)變區(qū)。考慮到 Fe 元素在保障壓力管堆形狀穩(wěn)定性方面的積極作用，在制訂重水堆壓力管用 Zr-2.5Nb 合金的技術(shù)條件時(shí)，除滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求外，還應(yīng)對(duì) Fe 元素含量下限作出規(guī)定。

關(guān)鍵詞：壓力管; Zr-2.5Nb 合金;輻照蠕變;輻照增長(zhǎng); Fe 元素

中圖分類(lèi)號(hào)： TG 146???? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

Effect of Fe Element on the Irradiation Deformation of Zr-2.5Nb Alloy Pressure Tube of CANDU Reactor

YAN Bin， ZHAO Guannan

（Shanghai Nuclear Engineering Research & Design Institute Co.， Ltd.， Shanghai 200233， China）

Abstract： In the current standard system， Fe is an impurity element in Zr-2.5Nb alloy pressure tube of CANDU reactor， and its upper limit of content is strictly controlled. The in-reactor irradiation test of Zr-2.5Nb pressure tube used in the established water reactor shows that higher Fe element content reduces the deformation strain caused by irradiation growth and irradiation creep. This phenomenon is attributed to the enhanced mobility of vacancies in α-Zr grains by impurity Fe. The acceleration of vacancy promotes the formation ofvacancy-type dislocation loops， and the symmetry of dislocation stress field reduces the tensile strain region of dislocation loops. Considering the positive role of Fe element? in? ensuring? the? shape? stability? of pressure? tube? reactor，? when? formulating? the? technical conditions of Zr-2.5Nb alloy for CANDU reactor pressure tube， in addition to meeting the standard requirements， the lower limit ofFe element content should also be specified.

Keywords： pressure tube ; Zr-2.5Nb alloy; irradiation creep ; irradiation growth; Fe element

Zr-2.5Nb 合金無(wú)縫管被用作燃料通道內(nèi)的壓力管（以下簡(jiǎn)稱(chēng) Zr-2.5Nb 合金壓力管）是加拿大重水鈾反應(yīng)堆[Canadian deuterium uranium（reactor），簡(jiǎn)稱(chēng) CANDU 重水堆]中最重要的核心部件之一。單根壓力管的長(zhǎng)度為600～700 mm、內(nèi)徑為105 mm、壁厚為4 mm，由采用特殊工藝制造的整根無(wú)縫管制成[1]。電廠(chǎng)運(yùn)行時(shí)，壓力管內(nèi)部盛有由天然鈾燒制成的燃料組件，一定溫度和壓力的重水冷卻劑在流經(jīng)壓力管內(nèi)部后被加熱，從壓力管的另一端流出后進(jìn)入蒸汽發(fā)生器。特殊的服役工況加之長(zhǎng)達(dá)30 a 的設(shè)計(jì)壽命，對(duì)壓力管用 Zr-2.5Nb 合金壓力管的綜合力學(xué)性能、耐腐蝕性等都提出了較高的要求。

對(duì)于壓力管在電廠(chǎng)長(zhǎng)期運(yùn)行中形狀穩(wěn)定性的評(píng)估和變形行為的預(yù)測(cè)是重水堆壓力管材料設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。歷史上，加拿大皮克靈重水堆核電站的 LOCA 事故就是由于壓力管材料發(fā)生變形后與外層排管相接觸，從而致使大量放熱，并進(jìn)一步引發(fā)片狀氫化物生成，成為裂紋源造成的[2]。壓力管變形所涉及到的兩種主要機(jī)制，即輻照蠕變和輻照生長(zhǎng)，在其他燃料包殼用鋯合金材料[3-5] 中亦多有研究，然而，由于壓力管用 Zr-2.5Nb 合金在成分、微觀(guān)結(jié)構(gòu)和晶體織構(gòu)等方面的特殊性，其輻照蠕變和輻照生長(zhǎng)呈現(xiàn)與鋯合金包殼管不同的規(guī)律。

文獻(xiàn)中所報(bào)道的關(guān)于 Zr-2.5Nb 合金壓力管輻照蠕變和輻照生長(zhǎng)的研究，主要集中于影響輻照蠕變和輻照生長(zhǎng)的微觀(guān)結(jié)構(gòu)和工藝因素。在 Zr-2.5Nb 合金現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中，將 Fe 元素作為合金中的雜質(zhì)元素。關(guān)于 Fe 元素在形狀穩(wěn)定性方面貢獻(xiàn)的研究，通常僅限于其對(duì)輻照生長(zhǎng)效應(yīng)的影響。隨著工程數(shù)據(jù)的積累， Zr-2.5Nb 合金壓力管中 Fe 元素含量與其輻照蠕變行為之間的關(guān)聯(lián)正得到關(guān)注，但其具體作用機(jī)制尚不明晰。本文擬以世界范圍內(nèi) CANDU 重水堆所用 Zr-2.5Nb 合金壓力管材料的堆內(nèi)輻照試驗(yàn)數(shù)據(jù)及已報(bào)道的其他相關(guān)研究為基礎(chǔ)，就 Fe 元素在抑制 Zr-2.5Nb 合金壓力管輻照蠕變導(dǎo)致變形方面的作用機(jī)制進(jìn)行討論。同時(shí)，結(jié)合 Zr-2.5Nb 合金壓力管?chē)?guó)產(chǎn)化研制實(shí)踐，在滿(mǎn)足現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)體系要求的前提下，就 Fe 元素含量的控制方法給出建議。

1? Fe 元素對(duì) Zr-2.5Nb 合金壓力管輻照變形的影響

CANDU 重水堆無(wú)縫管的變形共有3種類(lèi)型：徑向蠕變;下墜;軸向伸長(zhǎng)。其中，軸向伸長(zhǎng)部分由輻照蠕變和輻照生長(zhǎng)兩種機(jī)制貢獻(xiàn)，而徑向蠕變與下墜則應(yīng)歸結(jié)于輻照蠕變。受材料微觀(guān)結(jié)構(gòu)和晶體織構(gòu)的影響， Zr-2.5Nb 合金壓力管的輻照蠕變以及輻照生長(zhǎng)都表現(xiàn)出強(qiáng)烈的各向異性，即在軸向、切向、徑向呈現(xiàn)出不同的宏觀(guān)效應(yīng)，因此，對(duì)輻照蠕變及輻照生長(zhǎng)導(dǎo)致的變形效應(yīng)的研究分不同方向進(jìn)行。

1.1? Fe 元素含量對(duì)輻照生長(zhǎng)效應(yīng)的影響

鋯及鋯合金的輻照生長(zhǎng)，是指在輻照條件下，由于密排六方（close-packed hexagonal， hcp）結(jié)構(gòu)晶體的對(duì)稱(chēng)性，沿 c 軸方向收縮，沿 a 軸方向延伸，同時(shí)整體體積不變的現(xiàn)象。對(duì)于存在明顯織構(gòu)的多晶體，在<0001>織構(gòu)方向收縮，在垂直于該織構(gòu)方向延伸。Zr-2.5Nb 合金壓力管中，<0001>fT高達(dá)0.6～0.7，加之α-Zr 晶粒呈平行薄片狀，致使宏觀(guān)上輻照生長(zhǎng)對(duì)變形應(yīng)變的貢獻(xiàn)主要體現(xiàn)在軸向伸長(zhǎng)方面。在過(guò)去的十幾年中，加拿大原子能公司先后將 Darlington、Pt. Lepreau、Pickering A、Pickering B、 Bruce B 等多種型號(hào)的 Zr-2.5Nb 合金壓力管在法國(guó) Osiris 反應(yīng)堆內(nèi)進(jìn)行輻照試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度為280～310℃，輻照峰值劑量為1.8×1018 n/m2·s（電勢(shì) E>1 MeV），并檢測(cè)軸向方向的變形[6]。由于在整個(gè)過(guò)程中放入堆內(nèi)的試料并未受到應(yīng)力作用，因此，試樣變形完全是由于輻照生長(zhǎng)效應(yīng)導(dǎo)致的。各個(gè)試樣的生長(zhǎng)速率與 Fe 元素含量之間的關(guān)系如圖1所示。從圖1中可以看出， Zr-2.5Nb 合金壓力管中， Fe 元素含量約為1000 ppm（1 ppm=10×10?7）時(shí)，與中等 Fe 元素含量（500～650 ppm）和較低 Fe 元素含量（300～350 ppm）相比，Zr-2.5Nb 合金壓力管輻照生長(zhǎng)速率明顯降低。較低 Fe 元素含量的樣品，輻照生長(zhǎng)速率為2.0～4.0 m2/n×1029，而中等 Fe 元素含量的樣品的輻照生長(zhǎng)速率為2.5～3.6 m2/n×1029。雖然在 Fe 元素含量較低時(shí)，仍有一定數(shù)量樣品具有相對(duì)較低的生長(zhǎng)速率，然而，試驗(yàn)結(jié)果離散度較大。另一方面，由于輻照生長(zhǎng)效應(yīng)機(jī)制在于單胞變形，受晶體織構(gòu)的影響， Zr-2.5Nb 合金壓力管的輻照生長(zhǎng)效應(yīng)同時(shí)導(dǎo)致切向出現(xiàn)收縮，可將相應(yīng)應(yīng)變表示為負(fù)值。試驗(yàn)結(jié)果表明，壓力管輻照生長(zhǎng)導(dǎo)致的在切向的應(yīng)變程度小于在軸向的應(yīng)變，且切向應(yīng)變程度對(duì)于合金中的 Fe 元素含量并不敏感[7]。這種差異與 Zr-2.5Nb 合金壓力管中α- Zr 晶粒的形狀有關(guān)。

1.2? Fe 元素含量對(duì)輻照蠕變效應(yīng)的影響

在堆內(nèi)運(yùn)行過(guò)程中，壓力管以年均幾毫米的速率在軸向伸長(zhǎng)，其中，輻照蠕變的貢獻(xiàn)占主要部分[8]。輻照效應(yīng)導(dǎo)致的管徑變化中，輻照蠕變的貢獻(xiàn)也更為顯著。印度 RAPS-2期重水堆（即印度仿照 CANDU 堆型自主開(kāi)發(fā)的重水堆）滿(mǎn)功率運(yùn)行7.15 a 后的壓力管的內(nèi)徑變化及其中輻照蠕變相應(yīng)貢獻(xiàn)如表? 1所示。

根據(jù)蠕變定義，輻照蠕變的發(fā)生要求在樣品上施加一定的應(yīng)力，因此，在進(jìn)行堆內(nèi)試驗(yàn)時(shí)，通常將一定壓力的惰性氣體封焊在無(wú)縫管內(nèi)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)管材施加微小應(yīng)力的目的。早期對(duì) Zr-2.5Nb 合金壓力管輻照蠕變的研究主要考慮晶粒大小[10]、位錯(cuò)密度[11-12]、晶體織構(gòu)[13]等因素對(duì)該效應(yīng)的影響。 Bickel 等[14]最早發(fā)現(xiàn) Fe 元素含量對(duì)輻照蠕變行為的影響。將3個(gè)不同廠(chǎng)家生產(chǎn)的合金錠分別采用相同工藝制造出多個(gè)批次的壓力管，并分別進(jìn)行輻照試驗(yàn)，觀(guān)察其在軸向的蠕變應(yīng)變，發(fā)現(xiàn)其耐輻照蠕變性能差異十分明顯。分析結(jié)果表明：3個(gè)合金錠最主要的差異在于 Fe 元素含量差異顯著。在 Fe 元素含量少于800 ppm 時(shí)，徑向輻照蠕變速率較大。后續(xù)的大量堆內(nèi)試驗(yàn)進(jìn)一步證明， Zr-2.5Nb 合金壓力管中 Fe 元素含量與徑向蠕變和軸向蠕變應(yīng)變都呈負(fù)相關(guān)，即含有較高含量的 Fe 元素有助于降低輻照蠕變帶來(lái)的直徑變化和軸向伸長(zhǎng)（見(jiàn)圖2）。然而，除材料本身特性外，影響蠕變應(yīng)變實(shí)測(cè)結(jié)果的因素還包含載荷、溫度等環(huán)境因素。在雙軸應(yīng)力狀態(tài)下，徑向與軸向應(yīng)變并非相互獨(dú)立，因此，圖2 中的數(shù)據(jù)離散度較高?？傮w趨勢(shì)表明，較高 Fe 元素含量?jī)A向于導(dǎo)致較低的蠕變應(yīng)變速率，且該趨勢(shì)在徑向更明顯。

2 輻照對(duì) Fe 元素在 Zr-2.5Nb 合金壓力管中分布的影響

2.1? Zr-2.5Nb 合金壓力管的兩相結(jié)構(gòu)

與傳統(tǒng)燃料包殼用鋯合金不同，壓力管用 Zr-2.5Nb 合金壓力管主要由α-Zr（hcp 結(jié)構(gòu)）及β-Zr（Nb）（體心立方結(jié)構(gòu)）組成。α-Zr 相晶粒呈薄片狀，其排列平行于主加工方向，而β-Zr（Nb）相呈薄膜狀分布在α-Zr 晶粒的晶界處，厚度僅為十幾納米[16]。加拿大國(guó)家通用研究（national research universal，NRU）重水堆中的63F 號(hào)燃料通道壓力管前端在透射電子顯微鏡（transmission? electron microscopy， TEM）下的觀(guān)察結(jié)果如圖 3所示。

2.2? Fe 元素在 Zr-2.5Nb 合金壓力管中的分布

Fe 元素在α-Zr 與β-Zr（Nb）兩種固溶體中的溶解度差異顯著，平衡態(tài)下， Zr-2.5Nb 合金壓力管中 Fe 元素分布并不均勻。圖?? 4（a）所示為典型的 CANDU 重水堆用 Zr-2.5Nb 合金壓力管的微觀(guān)結(jié)構(gòu)在 HAADF 型 TEM 下的觀(guān)察結(jié)果。結(jié)合 TEM 模式下Zr、Nb、Fe 三種元素的 X-射線(xiàn)能譜面掃描結(jié)果可知， Fe 元素主要分布在β-Zr（Nb）相中，且在α-Zr 相中也有少量分布。雖然亞穩(wěn)態(tài)Ω相的生成導(dǎo)致β- Zr（Nb）相中 Fe 元素發(fā)生偏聚[19]，但是在α-Zr 內(nèi)分布相對(duì)均勻。 Fe 元素含量極低，在α-Zr 中無(wú) Zr3Fe 相出現(xiàn)。

輻照后， Zr-2.5Nb 合金壓力管內(nèi) Fe 元素的分布發(fā)生了改變，如圖4（b）所示。從圖4（b）中可以看出， Fe 元素在輻照后從β-Zr（Nb）相中擴(kuò)散進(jìn)入α-Zr 基體，使其內(nèi)部 Fe 元素含量增加， Fe 元素在整個(gè)合金內(nèi)部分布相對(duì)均勻。若對(duì)輻照后的 Zr-2.5Nb 合金樣品重新進(jìn)行退火，恢復(fù)至平衡態(tài)，則 Fe 元素會(huì)重新溶解到β相中[20-21]。因此，雖然對(duì)輻照后 Fe 元素在α-Zr 基體內(nèi)部的化學(xué)狀態(tài)缺乏直接的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，但可以認(rèn)為輻照使 Fe 元素?cái)U(kuò)散進(jìn)入α-Zr 晶粒內(nèi)后，未形成穩(wěn)定的化合物，仍以溶質(zhì)形式存在。

3? Fe 元素對(duì) Zr-2.5Nb 合金壓力管輻照生長(zhǎng)及輻照蠕變的影響機(jī)制

受到輻照中粒子轟擊的影響， Zr-2.5Nb 合金壓力管中的固溶體相中首先會(huì)出現(xiàn)兩種形式的點(diǎn)缺陷，包括自間隙原子（self-interstitial atoms， SIA）和空位，兩種缺陷進(jìn)一步發(fā)生擴(kuò)散及遷移，聚集形成位錯(cuò)環(huán)及孔洞等。根據(jù)經(jīng)典的 Buckley模型[22]，鋯合金在堆內(nèi)的輻照生長(zhǎng)是由于在 hcp 晶胞的側(cè)面產(chǎn)生 SIA型位錯(cuò)環(huán)（柏氏矢量指向hcp 晶格的 a 軸方向）、晶胞的基面產(chǎn)生空位型位錯(cuò)環(huán)（柏氏矢量指向 hcp 晶格的 c 軸方向）導(dǎo)致的。固溶在α- Zr 內(nèi)的 Fe 原子在輻照生長(zhǎng)方面的作用可歸因于其在促進(jìn)空位型位錯(cuò)環(huán)形成方面的貢獻(xiàn)。由于空位型位錯(cuò)環(huán)的形成是通過(guò)輻照產(chǎn)生的空位發(fā)生遷移之后 hcp 的層狀堆垛發(fā)生坍塌實(shí)現(xiàn)的，因此， Fe 元素對(duì)空位型位錯(cuò)環(huán)的形成的促進(jìn)作用是雙方面的：一方面，以溶質(zhì)元素形式存在于α-Zr中的 Fe 元素對(duì)于空位擴(kuò)散的促進(jìn)作用已經(jīng)被較好地證明[23]，且在α-Zr 的 hcp 晶格中，空位在基面內(nèi)移動(dòng)速率大于在 c 軸方向的擴(kuò)散速率[24]，因此，固溶在α-Zr 中的 Fe 原子有助于空位型位錯(cuò)環(huán)的形成;另一方面， hcp 層狀堆垛坍塌的難易程度對(duì)應(yīng)于堆垛層錯(cuò)能的高低，堆垛層錯(cuò)能越低即意味著 hcp 堆垛結(jié)構(gòu)坍塌形成層錯(cuò)所需克服的勢(shì)壘越小。一些研究成果中[25]，利用第一性原理方法計(jì)算了含有在α-Zr 基體中含有 Fe 形成置換固溶體的情況下對(duì)于堆垛層錯(cuò)能的影響，發(fā)現(xiàn)在{0001}<11-20>內(nèi)， Fe 元素可以降低α-Zr 晶格的堆垛層錯(cuò)能，且降低堆垛層錯(cuò)能的趨勢(shì)強(qiáng)于主合金元素 Nb。上述兩方面都可以較好地解釋 Fe 元素在抑制 Zr-2.5Nb 合金輻照生長(zhǎng)方面的貢獻(xiàn)。

Fe 元素在抑制輻照蠕變方面作用的解釋更為復(fù)雜。目前，對(duì)于鋯合金輻照蠕變的機(jī)制有若干學(xué)說(shuō)，主要包括位錯(cuò)的攀移-滑移、應(yīng)力誘發(fā)優(yōu)先作用、應(yīng)力誘發(fā)優(yōu)先吸收等?；?攀移機(jī)制認(rèn)為，影響蠕變速率的關(guān)鍵因素在于位錯(cuò)攀移，而攀移是通過(guò) SIA 或空位的擴(kuò)散實(shí)現(xiàn)的。應(yīng)力誘發(fā)優(yōu)先作用機(jī)制認(rèn)為，在輻照條件下，應(yīng)力促進(jìn)在垂直于正應(yīng)力方向的晶面上形成 SIA位錯(cuò)環(huán)，同時(shí)在平行于正應(yīng)力晶面上形成空位位錯(cuò)環(huán)。應(yīng)力引起優(yōu)先吸收機(jī)制則認(rèn)為，外界正應(yīng)力會(huì)擴(kuò)大位錯(cuò)半晶面導(dǎo)致的拉應(yīng)力區(qū)，從而加速 SIA 向位錯(cuò)區(qū)擴(kuò)散。上述幾種機(jī)制都認(rèn)為，點(diǎn)缺陷的移動(dòng)是輻照蠕變發(fā)生的主要原因。由于輻照后的 Zr-2.5Nb 合金壓力管中 Fe 元素在α- Zr 中以溶質(zhì)原子形式存在，F(xiàn)e 元素對(duì)于輻照蠕變的影響應(yīng)歸結(jié)于其對(duì)點(diǎn)缺陷擴(kuò)散的影響。有研究認(rèn)為， Fe 元素通過(guò)與 SIA 發(fā)生交換作用，從而降低了SIA 的濃度，抑制了 SIA 的擴(kuò)散，從而抑制了輻照蠕變[23]，但該觀(guān)點(diǎn)最大的不足在于， Fe 元素與 SIA 之間的交換作用無(wú)法得到試驗(yàn)驗(yàn)證。

如前所述，前人研究已經(jīng)較好地證明了 Fe 元素對(duì)空位遷移能力的促進(jìn)作用。結(jié)合應(yīng)力引起優(yōu)先吸收理論及壓力管專(zhuān)用 Zr-2.5Nb 合金無(wú)縫管獨(dú)特的織構(gòu)特征，對(duì) Fe 在抑制輻照蠕變方面的作用提出以下解釋。如圖5所示， Zr-2.5Nb 合金壓力管中，α-Zr晶粒<0001>織構(gòu)方向朝向切向，由于壓力管承受內(nèi)壓， c 軸朝向與正應(yīng)力方向一致。應(yīng)力引起優(yōu)先吸收模型中，由空位產(chǎn)生的型位錯(cuò)環(huán)分別在周?chē)瑫r(shí)產(chǎn)生局域化的壓縮應(yīng)變場(chǎng)與拉伸應(yīng)變場(chǎng)，外界應(yīng)力作用使得拉伸應(yīng)變場(chǎng)增大，從而導(dǎo)致 SIA 加速擴(kuò)散進(jìn)入拉伸應(yīng)變場(chǎng)（見(jiàn)圖5左）。在較高的 Fe 元素含量下，由于移動(dòng)性較高，空位向壓縮應(yīng)變場(chǎng)的擴(kuò)散加劇，壓縮應(yīng)變場(chǎng)相應(yīng)縮小，而位錯(cuò)環(huán)引起的拉伸和壓縮應(yīng)變場(chǎng)彼此對(duì)稱(chēng)，拉伸應(yīng)變場(chǎng)也相應(yīng)縮小，因此， SIA 的擴(kuò)散也因此減弱（見(jiàn)圖5右）。該模型與現(xiàn)有應(yīng)力引起優(yōu)先吸收模型自洽性較好，其顯著的特點(diǎn)在于忽略了點(diǎn)缺陷濃度對(duì)擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)的影響，避免了傳統(tǒng)模型中因持續(xù)輻照帶來(lái)的點(diǎn)缺陷總量不恒定的問(wèn)題，具有一定的優(yōu)越性。該模型的可靠性后續(xù)可通過(guò)進(jìn)一步模擬空位濃度對(duì)位錯(cuò)環(huán)應(yīng)變場(chǎng)的影響進(jìn)行驗(yàn)證。

4? Fe 元素在 Zr-2.5Nb 合金壓力管中的控制

現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)體系 ASTM B350及 CSA N286.6.1對(duì) Zr-2.5Nb 合金壓力管化學(xué)成分的要求中，都將 Fe 元素標(biāo)明為雜質(zhì)，要求 Fe 元素含量的上限不大于1500 ppm。AECL 對(duì) Zr-2.5Nb 合金壓力管的技術(shù)條件中要求 Fe 元素含量不大于650 ppm。秦山Ⅲ期 CANDU 重水堆用某根 Zr-2.5Nb 合金壓力管制造階段的熔煉分析部分結(jié)果如表2所示。

出于對(duì)耐腐蝕性的考量，標(biāo)準(zhǔn)中對(duì) Fe 元素含量進(jìn)行了嚴(yán)格限制。鋯合金的耐腐蝕性應(yīng)當(dāng)充分考慮兩個(gè)方面：一個(gè)是氧化過(guò)程，即氧化物在鋯合金表面的生長(zhǎng)，其衡量指標(biāo)是采用 ASTM G2方法測(cè)試增重試驗(yàn)結(jié)果;另一個(gè)是吸氫過(guò)程（對(duì)于重水堆而言是氘），包含在腐蝕過(guò)程中氫（氘）在鋯合金內(nèi)部的擴(kuò)散，以及延遲氫化物裂紋的發(fā)生和發(fā)展。利用電弧熔煉法制備了 Zr-2.5Nb-xFe 合金，并在模擬 CANDU 重水堆內(nèi)的水化學(xué)環(huán)境下進(jìn)行長(zhǎng)期腐蝕試驗(yàn)（重水，300℃，pH=10.5），并檢測(cè)其吸氫（氘）和吸氧量[26]。得到的部分結(jié)果整理后列于表 3中。

通過(guò)比較不同 Fe 元素含量的 Zr-2.5Nb 合金壓力管的吸氧量，可知氧擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)對(duì)于 Fe 元素含量不敏感，而 Fe 元素含量對(duì)于吸氫（氘）行為影響顯著。從表3中可以看出，幾個(gè)樣品中， Fe 元素含量為525 ppm 的 Zr-2.5Nb-xFe 合金壓力管的吸氫（氘）量最少。在稍高 Fe 元素含量的組分中（Fe 元素含量為640 ppm 和750 ppm），合金的抗吸氫性能較不含 Fe 元素的 Zr-2.5Nb 合金壓力管的劣化。當(dāng) Fe 元素含量大于800 ppm 時(shí)，在基體中易于出現(xiàn) Zr3Fe 顆粒相，是該合金吸氫量增加的主要原因。

考慮到 Fe 元素在保障壓力管堆內(nèi)形狀穩(wěn)定性方面有積極貢獻(xiàn)，有必要對(duì) Fe 元素含量下限也做出規(guī)定，確保產(chǎn)品中 Fe 元素含量在一定水平以上，以獲得較好的形狀穩(wěn)定性。在鋯合金的熔煉中，通常包含以下幾個(gè)基本步驟，包括原料挑揀、布料、電極組裝、多次熔煉等。熔煉階段所用原料是成品 Zr- 2.5Nb 合金壓力管中 Fe 元素的唯一來(lái)源，這也是標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)于 Fe 元素含量?jī)H要求熔煉分析，對(duì)成品分析未做要求的原因。因此，從工藝控制角度，應(yīng)在原料篩選階段就對(duì) Fe 元素含量進(jìn)行控制。通過(guò)對(duì)某國(guó)內(nèi)制造廠(chǎng)使用的若干批次國(guó)產(chǎn)核級(jí)海綿鋯原料中 Fe 元素含量的化學(xué)分析結(jié)果進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)各批次海綿鋯中 Fe 元素含量為400～800 ppm。因此，在實(shí)際制造中，制造廠(chǎng)可采用不同 Fe 元素含量的多批次海綿鋯混料使用后熔煉，以實(shí)現(xiàn)在滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求的前提下，控制 Fe 元素含量下限的目的，即在現(xiàn)有技術(shù)條件的基礎(chǔ)上，增加對(duì) Fe 元素含量下限的要求從生產(chǎn)角度是可實(shí)現(xiàn)的。

5 結(jié)論

本文在 CANDU 重水堆 Zr-2.5Nb 合金壓力管材料的堆內(nèi)輻照增長(zhǎng)和輻照蠕變數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，研究了 Fe 元素在提升材料堆內(nèi)形狀穩(wěn)定性方面的積極意義，利用應(yīng)力誘發(fā)優(yōu)先作用理論，對(duì)于 Fe 元素所起作用的微觀(guān)機(jī)制作出解釋?zhuān)⑦M(jìn)一步結(jié)合工程實(shí)踐。獲得以下結(jié)論：

（1）Fe 元素對(duì)于抑制輻照蠕變及輻照生長(zhǎng)導(dǎo)致的 Zr-2.5Nb 合金壓力管堆內(nèi)變形有積極貢獻(xiàn)，且該規(guī)律被多批次材料試驗(yàn)結(jié)果共同證明，具有工程普遍意義。

（2）交貨態(tài)的 Zr-2.5Nb 合金壓力管內(nèi)， Fe 元素主要分布在β-Zr（Nb）相中，而中子輻照使 Fe 元素?cái)U(kuò)散進(jìn)入α-Zr 相晶粒內(nèi)部，形成置換固溶體。

（3）利用應(yīng)力誘發(fā)優(yōu)先作用機(jī)制及溶質(zhì) Fe 原子對(duì)于空位移動(dòng)性的促進(jìn)作用，可以較好地解釋其對(duì)輻照蠕變及輻照生長(zhǎng)效應(yīng)的抑制作用?？瘴灰苿?dòng)性增強(qiáng)間接減小了型位錯(cuò)環(huán)拉伸應(yīng)變區(qū)，因而降低了 SIA 向拉伸應(yīng)變區(qū)的擴(kuò)散率，該機(jī)制是 Fe 元素抑制輻照蠕變的主要機(jī)制。 Fe 元素對(duì)于輻照生長(zhǎng)的抑制作用主要?dú)w因于促進(jìn)了空位型位錯(cuò)環(huán)的形核。

（4）在滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求的基礎(chǔ)上，除應(yīng)對(duì) Zr-2.5Nb 合金錠中 Fe 元素含量的上限進(jìn)行控制外，也應(yīng)加設(shè)對(duì) Fe 元素含量下限的要求。結(jié)合國(guó)產(chǎn)海綿鋯中 Fe 元素含量的實(shí)際水平，該新增補(bǔ)充要求具有可實(shí)施性。

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