反应堆失水事故工况下锆合金包壳管失稳氧化的研究进展

许 倩,刁均辉,季松涛

(中国原子能科学研究院，北京 102413)

当反应堆发生失水事故(LOCA)时，冷却剂压力会迅速下降，使高压水瞬间汽化，压力容器水位降至燃料组件活性段以下，此时锆合金包壳表面温度急剧升高，锆合金包壳在高温蒸汽环境中氧化，直至应急堆芯冷却水将包壳管淹没。如果发生小破口失水事故，锆合金包壳裸露时间相对较长，发生高温蒸汽氧化的时间较长，氧化动力学由抛物线规律转变为线性规律，氧化速率大大增加，同时伴随大量吸氢，该现象被称之为失稳氧化。2008年，美国阿贡国家实验室(ANL)发布了《LOCA工况下的包壳脆化行为》研究报告，提出失稳氧化是导致包壳脆化的原因之一。

1 失稳氧化的氧化膜特征

目前，在不同系列锆合金中，E110合金的失稳氧化最为明显。发生失稳氧化时，Zr-4合金表面变成灰色，而E110合金最早在黑色基体表面形成白色的疖状腐蚀物，疖状腐蚀扩张使相邻区域也出现白点，最后发生严重的失稳氧化现象，大量吸氢，但是氧化膜/金属(O/M)界面较平坦。总的来说，发生失稳氧化后，肉眼可见氧化膜表面开始出现白点或灰点，后期氧化膜疏松，整体呈白色或灰色。锆合金失稳氧化后氧化膜形貌具有以下特征：氧化膜明显增厚；O/M界面呈波浪状(E110合金除外)；靠近O/M界面的氧化膜内有大量横向裂纹和纵向裂纹；靠近O/M界面的金属基体内有大量纵向裂纹[1]。

2 失稳氧化的机理

失稳氧化导致氧化膜出现大量裂纹，氧化膜中的裂纹为氧扩散提供了短路通道，该通道成为主要的氧扩散路径。……