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二氧化铀高温蠕变性能的研究

王良芬  
【摘要】: 二氧化铀芯块是重要的核燃料之一。目前,二氧化铀芯块的制备工艺一般为高温长时烧结(1750℃×10h)。高温烧结二氧化铀芯块的晶粒尺寸大,稳定可靠,但耗能严重,生产成本高。因此,国内外均在研究低温活化烧结技术(1100℃×4h)。低温烧结能耗少、容易操作和控制,生产成本低,可提高核电的竞争力。但存在晶粒尺寸小的问题,因而限制了它的应用。为了探讨小晶粒尺寸二氧化铀芯块在堆内的高温蠕变性能,考察晶粒尺寸对二氧化铀芯块高温蠕变性能的影响,本文对两种不同晶粒尺寸的二氧化铀芯块进行了高温蠕变对比实验研究。 本实验分别将晶粒尺寸为23.8μm(高温烧结)和晶粒尺寸为9.0μm(低温烧结)的二氧化铀烧结块在1400-1500℃温度及20-50MPa的压载荷下进行蠕变实验研究。然后对高温蠕变实验数据进行处理,绘制蠕变曲线,计算稳态蠕变速率,拟合压缩率与时间曲线,拟合稳态蠕变速率与应变的双对数曲线和方程。本研究还利用光学显微镜、扫描电镜等手段研究了蠕变后二氧化铀烧结块的微观组织,探讨了二氧化铀烧结块的蠕变机理。研究结果表明: 1、稳态蠕变速率与应力间的双对数关系即不同晶粒尺寸的二氧化铀芯块的lgε.—lgσ线性关系方程为: 1500℃大晶粒试样:lgε1=2.41808lgσ- 6.87601 1500℃小晶粒试样:lgε2=1.69804lgσ- 5.64667 1400℃大晶粒试样:lgε3=2.45457lgσ- 6.99475 1400℃小晶粒试样:lgε4=1.45100lgσ- 5.48292 2、二氧化铀烧结块在1400-1500℃温度、10MPa的压载荷下的稳态蠕变速率:1500℃、10MPa时大、小晶粒分别为0.3484×10-4 mm/h和1.1256×10-4 mm/h;1400℃、10MPa时大、小晶粒分别为0.2883×10-4 mm /h和0.9294×10-4 mm/h。即两者没有数量级的差别,可为工程的设计和应用提供参考。 3、蠕变后二氧化铀烧结块存在再烧结过程,颗粒间界面模糊,孔隙数量减少,有的孔隙合并形成了大裂纹;每个试样中都出现了白色氮氧铀化合物,在1400℃下呈现颗粒状,而在1500℃下以竹叶状存在芯块裂纹周围。随着压力增加,白色物质逐渐减少。晶粒尺寸为9.0μm的二氧化铀烧结块中的白色物质比晶粒尺寸为23.8μm的二氧化铀烧结块中少。 4、将蠕变实验所得的结果与Nabarro—Herring蠕变、Coble蠕变、Hamper-Dorn蠕变模型计算的理论值进行比较,结果表明:晶粒尺寸为9.0μm的二氧化铀芯块的蠕变同时受Nabarro—Herring蠕变机制与Hamper-Dorn蠕变机制控制,其中Hamper-Dorn蠕变机制占主导,而晶粒尺寸为23.8μm的二氧化铀芯块的蠕变只受Hamper-Dorn蠕变机制控制。


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