王华才 杨大伟 程焕林 汤 琪 王 玮 钱 进

（中国原子能科学院研究院 北京 102413）

燃料棒为反应堆的核心组成部分，长期在高温、高压和强辐射场环境中运行，其可靠性和耐久性是核电站安全稳定运行的关键因素之一［1-4］。随着燃料芯块的不断裂变，逐渐产生裂变气体及固态裂变产物，进而燃料膨胀，以及辐射和主冷却剂引起的外部压力的共同作用导致包壳层发生蠕变，这两种现象（燃料膨胀和蠕变）导致燃料包壳间隙逐渐减小，最终在燃料和包壳之间建立了接触，进而在芯块与包壳之间就形成了相互作用层［5-6］。一旦形成相互作用层就会缩短燃料棒的服役时间。了解这些变化对于设计燃料和包壳以获得出色的服役性能以及制定废物处理和处置方案至关重要［7-10］。

国外核电起步较早，众多学者就化学相互作用层的微观结构特征进行了大量研究［11-14］。Park等［15］利用X 射线衍射仪（X-ray Diffraction，XRD）研究了化学相互作用层的成分，结果显示，完整燃料棒燃耗值为41 GWd·tU-1时，无论锆合金包壳材料是Zr-4或ZIRLO 合金，燃料与锆合金包壳之间都不形成化学相互作用层。较高燃耗（58 GWd·tU-1）时，在UO2与Zr-4 包壳之间观察到化学相互作用层的存在。然而，Tanaka［16］和Kim［17］等先后在燃耗值为40 GWd·tU-1的完整燃料棒和燃耗值为25 GWd·tU-1、35 GWd·tU-1的破损燃料棒中发现了化学相互作用层的存在。表明即使在较低燃耗下，仍然有可能存在化学相互作用层。Tanaka［16］通过扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscopy，SEM）研究发现：在40 GWd·tU-1燃耗值时的化学相互作用层按元素组成分为了两个不同的作用层：靠近锆合金包壳作用层主要由Zr和O元素组成，靠近燃料间隙作用层主要由U、Pu、裂变产物和O 组成。……