Page 135 - 《摩擦学学报》2021年第3期

424 摩 擦 学 学 报 第 41 卷

(a) Power generation installed capacity (10 000 kw) (b) 100 GTRF Debris Fabrication Crud or corrosion
5 000
Nuclear power generation (billion kWh) PCI/SCC
Proportion of fuel failures/%
4 000 80 Handling
Baffle jetting
3 000 60

2 000 40

1 000 20
0 0
2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 1987-1990 1991-1994 1995-1998 1999-2002 2003-2006 2007-2010 2011-2015
Year Year of fuel reload

[1]
Fig. 1 (a) Development trend of China’s Nuclear Power Industry in recent years and (b) fuel failure mechanism of
pressurized water reactor in the world from 1987 to 2015 [5]
[1]
图 1 (a)我国近年来核电产业发展趋势和 (b)1987~2015年世界压水堆燃料失效机制 [5]
应所产生的热进行发电，核裂变放出热的同时还会生 的微动磨损受多个方面的影响. 首先，反应堆正常运

成大量的放射性物质，若不加以管制将造成巨大危害. 行时，燃料包壳管内壁要承受400 ℃的高温裂变气体
在应用并推进核能发展的过程中，保证核电站周边公 以及燃料肿胀带来的压力，而外壁要遭受高温高压
众环境不受核辐射的伤害一直是核能发展的首要原 (280~350 ℃，10~16 MPa)冷却水的冲刷，导致锆合金
则. 因此反应堆中均会设置多道安全保护屏障，即核 包壳的微动磨损 [9-10] . 其次，核反应堆活性区存在强烈
[3]
燃料包壳、压力容器和安全壳 . 的中子、γ射线、裂变碎片和其他带电粒子流. 在核裂
作为核反应堆安全的首道屏障，核燃料包壳能够 变的过程中，能够放出大量能量和中子辐射 [11-12] . 辐照
[4]
防止核裂变产物的泄露 ，其完整性是决定反应堆能 对反应堆内结构材料会造成一定损伤，影响结构材料
否正常、高效运行的关键. 而反应堆中冷却水自下而 的机械性能和微观结构，继而影响其微动磨损行为.
上的流动导致核燃料包壳与其支撑格架之间发生幅 最后，水中的游离氧，冷却剂中的硼离子、锂离子和氯
度极小的相对运动，引起锆合金包壳和支撑格架间接 离子，在反应堆运行条件下均能明显加速锆合金包壳

触表面破坏及亚表面裂纹的萌生和发展，进而引起核 腐蚀，进而加剧磨损.

燃料组件的破坏及失效，严重时甚至会造成核裂变产
2 锆合金包壳微动磨损产生机制及其影响因素
物的泄露，这种磨损是造成核反应堆中燃料组件失效
[5-6]
的主要原因[图1(b)] . 因此，锆合金包壳与支撑格架 2.1 锆合金包壳格-棒间微动磨损产生的原因
间的微动磨损(GTRF)大大制约着锆合金在核反应堆 微动发生于“近似静止”的振动工况下，通常是两
中的应用 [7-8] ，研究核燃料包壳微动磨损机制，提高核 个接触面之间发生微米量级的相对运动 . 反应堆中
[13]
燃料包壳的抗微动磨损性能对保障核反应堆寿命至 的微动磨损产生的原因是冷却水流动使锆合金包壳
关重要. 管与支撑格架之间产生微小振动，进而导致接触表面
[14]
核环境下锆合金包壳的微动磨损行为十分复杂， 的破坏，如图2(a)所示 . 一般来说，格-棒间微动磨损
作者在对现有研究进行调研的基础上，概述核燃料包 过程分为3个阶段[图2(b)] [6, 15] ，第一个阶段为预磨阶
壳的作用及其服役环境 (磨损环境)，总结反应堆内水 段，在此阶段锆合金燃料包壳与支撑格架之间呈完全
工条件、材料表面状态、辐照及腐蚀对格-棒间微动磨 夹紧状态或被间隙完全隔开，没有相对运动发生，几
损(GTRF)行为的影响，并进行分析与讨论. 进一步总 乎没有磨损. 此时堆内高温环境使得未磨损表面生成
结了事故容错锆合金包壳涂层近年来的发展及其对 一层致密氧化膜. 第二阶段为锆合金包壳表面氧化膜
格-棒间微动磨损行为及腐蚀磨损的影响. 最后，对格- 的磨损，在水流及辐照作用下，锆合金包壳与支撑格
棒间微动磨损研究的发展方向进行了展望. 架间夹持力的减弱使两者间产生缝隙，支撑格架与包

壳表面氧化膜之间发生微动磨损. 第三阶段为锆合金
1 核反应堆中燃料包壳服役环境及摩擦学问题
基体的磨损，当锆合金包壳表面氧化膜被磨穿后，锆
由于锆合金包壳服役环境复杂，其在核反应堆中 合金基体裸露并开始与支撑格架接触，由于包壳表面