严斌 赵冠楠

摘要：现行标准体系中， Fe 元素作为重水堆 Zr-2.5Nb 合金压力管中的杂质元素，含量上限受到严格控制。对已建成重水堆用 Zr-2.5Nb 合金压力管材料的堆内辐照试验表明， Fe 元素含量较高会降低辐照生长及辐照蠕变导致的变形应变。归因于 Fe 元素对空位在α-Zr 晶粒内的移动性的增强作用。空位的加速运动促进了空位型位错环的形成，同时位错应力场的对称性减小了位错环的拉伸应变区。考虑到 Fe 元素在保障压力管堆形状稳定性方面的积极作用，在制订重水堆压力管用 Zr-2.5Nb 合金的技术条件时，除满足标准要求外，还应对 Fe 元素含量下限作出规定。

关键词：压力管; Zr-2.5Nb 合金;辐照蠕变;辐照增长; Fe 元素

中图分类号： TG 146     文献标志码： 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 合金無缝管被用作燃料通道内的压力管（以下简称 Zr-2.5Nb 合金压力管）是加拿大重水铀反应堆[Canadian deuterium uranium（reactor），简称 CANDU 重水堆]中最重要的核心部件之一。单根压力管的长度为600～700 mm、内径为105 mm、壁厚为4 mm，由采用特殊工艺制造的整根无缝管制成[1]。电厂运行时，压力管内部盛有由天然铀烧制成的燃料组件，一定温度和压力的重水冷却剂在流经压力管内部后被加热，从压力管的另一端流出后进入蒸汽发生器。特殊的服役工况加之长达30 a 的设计寿命，对压力管用 Zr-2.5Nb 合金压力管的综合力学性能、耐腐蚀性等都提出了较高的要求。

对于压力管在电厂长期运行中形状稳定性的评估和变形行为的预测是重水堆压力管材料设计中的关键环节。历史上，加拿大皮克灵重水堆核电站的 LOCA 事故就是由于压力管材料发生变形后与外层排管相接触，从而致使大量放热，并进一步引发片状氢化物生成，成为裂纹源造成的[2]。……