鋯是熱中子吸收截面最低的金屬之一，通過在鋯中添加一定的元素（錫、鐵、鉻等）制成的鋯合金具有良好的耐高溫水腐蝕性能、良好的綜合力學性能和較高的導熱性能等一系列優點，是目前輕水反應堆燃料元件唯一理想使用的包殼材料。與早期使用的奧氏體不銹鋼作為燃料包殼相比，采用鋯合金明顯減少了中子損失，提高了燃料的利用率。此外，鋯棒、鋯管(guan)等(deng)鋯合(he)金還廣泛用于堆芯其他結(jie)構材(cai)料(liao)，如燃(ran)(ran)料(liao)棒(bang)端塞,為燃(ran)(ran)料(liao)棒(bang)提供(gong)徑向和(he)軸向支撐的(de)定位格(ge)架，供(gong)組件(jian)相關(guan)棒(bang)插入的(de)導向管(guan),為容納燃(ran)(ran)料(liao)棒(bang)束(shu)和(he)為十字(zi)形控制棒(bang)組件(jian)提供(gong)上下移(yi)動通道的(de)元(yuan)件(jian)盒等(deng)。

通常，一(yi)座(zuo)商業核電站中需要使(shi)用大(da)量(liang)鋯材，我國(guo)秦山(shan)二期(qi)核電站（2x60 萬(wan)千(qian)瓦裝(zhuang)機(ji)容(rong)量(liang)），僅首爐裝(zhuang)料(liao)就使(shi)用了63888 支包殼管(guan)，重量(liang)約(yue)25 噸(dun)，以(yi)此計(ji)算一(yi)臺百萬(wan)千(qian)瓦級核電機(ji)組(zu)，每一(yi)個(ge)換料(liao)周(zhou)期(qi)（12 個(ge)月(yue)或(huo)18 個(ge)月(yue)），1/3 的燃料(liao)組(zu)件需要更換，在(zai)整個(ge)壽命周(zhou)期(qi)內（40年）將消耗至(zhi)少400噸(dun)鋯合金包殼。

隨(sui)著壓水堆燃(ran)料(liao)功(gong)率(lv)、安全可靠(kao)性(xing)(xing)和經濟(ji)性(xing)(xing)的(de)提高，作為長循環、高燃(ran)耗燃(ran)料(liao)元(yuan)件的(de)燃(ran)料(liao)包殼(ke)需要具有更優異的(de)性(xing)(xing)能(neng)，包括具有高的(de)耐水側腐蝕(shi)性(xing)(xing)能(neng)和抗(kang)(kang)吸(xi)氫(qing)性(xing)(xing)能(neng)、高的(de)抗(kang)(kang)輻(fu)照(zhao)生長和蠕變(bian)性(xing)(xing)能(neng)，在事故條件下抗(kang)(kang)氧化(hua)和抗(kang)(kang)氫(qing)化(hua)、抗(kang)(kang)芯塊與包殼(ke)相互作用（PCI）的(de)能(neng)力、以及良好(hao)的(de)空間穩定性(xing)(xing)等。自上(shang)世紀70年代以來(lai)，美(mei)、俄、法、日、韓等國通(tong)過總結改善燃(ran)料(liao)組件設計、調整和控制反應堆運行條件以及改善包殼(ke)材料(liao)腐蝕(shi)性(xing)(xing)能(neng)的(de)研究，成功(gong)開(kai)發了各種(zhong)新型鋯合(he)金包殼(ke)材料(liao)，如(ru)ZIRLO、AXIOM、E635、M5、HANA、NDA、J-AlloyTM、MDA、M-MDA。

1、美國

美(mei)國西屋公司(si)開發的ZIRLO 合(he)(he)金(jin)作為燃(ran)料(liao)元件的包殼材料(liao)，在BR3 堆中經平均(jun)(jun)燃(ran)耗為71GWd/tU 的考驗后，其均(jun)(jun)勻腐蝕比(bi)Zr-4 合(he)(he)金(jin)小50%，輻照生長和(he)蠕變性能也(ye)優于(yu)Zr-4合(he)(he)金(jin)。

AXIOM 是西(xi)屋公司開(kai)發的(de)(de)一種(zhong)(zhong)先進包殼材料(liao)(liao)，目前(qian)有(you)五種(zhong)(zhong)備選(xuan)合(he)金(jin)，分別是X1、X2、X4、X5 和(he)X5A。開(kai)發AXIOM 的(de)(de)目的(de)(de)是滿(man)足越來(lai)越富有(you)挑戰的(de)(de)燃料(liao)(liao)管理計劃的(de)(de)要求。總(zong)體(ti)來(lai)講，設(she)計的(de)(de)合(he)金(jin)及(ji)其合(he)適(shi)的(de)(de)顯(xian)微組(zu)織(zhi)結(jie)構獲得了更好的(de)(de)抗(kang)腐蝕(shi)性、較(jiao)(jiao)(jiao)低的(de)(de)吸(xi)氫、較(jiao)(jiao)(jiao)低的(de)(de)蠕變、較(jiao)(jiao)(jiao)小的(de)(de)生長和(he)對異常(chang)運行(xing)(xing)工況(kuang)(kuang)及(ji)異常(chang)事件(jian)具有(you)較(jiao)(jiao)(jiao)好的(de)(de)抵抗(kang)能(neng)(neng)力。從2004 年在(zai)(zai)美國裝置上進行(xing)(xing)了首次輻照以來(lai)，AXIOM 被納(na)入了多(duo)個(ge)反應(ying)堆和(he)輻照計劃中(zhong)。AXIOM合(he)金(jin)在(zai)(zai)多(duo)個(ge)裝置中(zhong)的(de)(de)運行(xing)(xing)經(jing)驗以及(ji)在(zai)(zai)多(duo)種(zhong)(zhong)工況(kuang)(kuang)下的(de)(de)試驗證明了其優(you)越的(de)(de)抗(kang)腐蝕(shi)性能(neng)(neng)。

2、俄羅斯

俄(e)羅(luo)斯開(kai)發的(de)E635 合(he)(he)金(jin)(jin)原計劃取代E110 合(he)(he)金(jin)(jin)作(zuo)為RBMK 堆用燃(ran)(ran)(ran)(ran)料(liao)元件包(bao)殼材料(liao)，采用E635 合(he)(he)金(jin)(jin)制成(cheng)的(de)燃(ran)(ran)(ran)(ran)料(liao)棒(bang)經(jing)試(shi)驗堆和商業堆進行(xing)了輻(fu)照考驗，結果表明(ming)，E635 包(bao)殼燃(ran)(ran)(ran)(ran)料(liao)棒(bang)表面氧化生長速(su)率與E110 相當(dang)，其抗(kang)輻(fu)照蠕變和生長大(da)大(da)優于E110 合(he)(he)金(jin)(jin)，入堆的(de)E635 包(bao)殼燃(ran)(ran)(ran)(ran)料(liao)棒(bang)未發生破(po)損。

3、法國

法國開發的(de)M5合金(jin)在目(mu)前已(yi)商用的(de)鋯合金(jin)包(bao)殼材料中表現出(chu)了(le)極好(hao)的(de)抗腐蝕(shi)性能，它(ta)含有1%的(de)鈮，不含錫且(qie)能很好(hao)控制氧、鐵(tie)和(he)硫的(de)含量，并(bing)具有由于采用低溫工藝而(er)形成的(de)穩定的(de)全再結晶化(hua)微觀結構，在高燃耗和(he)大功率輻(fu)照條件下(xia)會(hui)產(chan)生(sheng)非(fei)常(chang)低的(de)腐蝕(shi)率，且(qie)吸氫量非(fei)常(chang)低。堆內(nei)輻(fu)照考驗表明，當燃耗達到60GWd/tU時，M5合金(jin)的(de)氧化(hua)膜厚度(du)只(zhi)有Zr-4合金(jin)的(de)1/3，吸氫量只(zhi)有Zr-4合金(jin)的(de)1/5，而(er)且(qie)輻(fu)照生(sheng)長和(he)蠕變性能都優于Zr-4合金(jin)。

4、韓國

HANA 合(he)金(jin)(jin)(jin)是(shi)韓國研究開(kai)發的鋯合(he)金(jin)(jin)(jin)，目標是(shi)滿(man)足燃(ran)耗高達70GWd/tU的燃(ran)料包(bao)殼(ke)使用要求(qiu)。HANA系列為含鋯鉻(ge)合(he)金(jin)(jin)(jin)，并(bing)添加錫(xi)、鐵(tie)或銅(tong)等微(wei)量合(he)金(jin)(jin)(jin)元素，以提高燃(ran)料包(bao)殼(ke)的抗(kang)腐(fu)蝕(shi)(shi)性能(neng)(neng)。從2003 年開(kai)始，HANA 系列合(he)金(jin)(jin)(jin)入研究堆進行(xing)堆內(nei)性能(neng)(neng)試驗，入堆輻照(zhao)的HANA合(he)金(jin)(jin)(jin)最終熱處理采用510℃退(tui)火，獲得部(bu)分再結晶（p-RXA）的顯微(wei)組(zu)織。結果證(zheng)明(ming)其堆內(nei)抗(kang)腐(fu)蝕(shi)(shi)性比(bi)Zr-4提高了30%-50%。其后，HANA-4和(he)HANA-6入商用堆進行(xing)輻照(zhao)考(kao)驗，結果證(zheng)明(ming)其抗(kang)堆內(nei)腐(fu)蝕(shi)(shi)和(he)蠕變性能(neng)(neng)優于(yu)參(can)照(zhao)鋯鉻(ge)合(he)金(jin)(jin)(jin)包(bao)殼(ke)。

5、日本

J-AlloyTM 是日本開發(fa)的含鈮鋯合金系列，包括J1、J2 和J3 三種候選(xuan)材(cai)料，含這三種候選(xuan)材(cai)料的先(xian)導(dao)試驗組件(jian)已入西班牙(ya)的商用(yong)堆進行了2 個循環的考(kao)驗，結果證明燃耗達到50GWd/tU時，J-AlloyTM的抗腐蝕性能優于Zr-4、MDA。

M-MDA 是(shi)日本在(zai)(zai)(zai)(zai)MDA 合(he)(he)(he)金(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)基礎上(shang)的(de)(de)(de)(de)改(gai)(gai)進合(he)(he)(he)金(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)，屬(shu)于(yu)鋯錫(xi)鉻(ge)（Zr-Sn-Nb）系(xi)合(he)(he)(he)金(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)，與MDA 合(he)(he)(he)金(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)相比(bi)，降(jiang)(jiang)低(di)了合(he)(he)(he)金(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)中的(de)(de)(de)(de)錫(xi)、鐵含量(liang)(liang)，提高(gao)了鉻(ge)含量(liang)(liang)。目前(qian)，含MDA、M-MDA 材料(liao)的(de)(de)(de)(de)先導(dao)試驗(yan)組件(jian)(jian)(jian)在(zai)(zai)(zai)(zai)西班牙(ya)的(de)(de)(de)(de)商用(yong)(yong)(yong)(yong)堆進行(xing)了4 個(ge)循環的(de)(de)(de)(de)考驗(yan)，結(jie)果證明M-MDA 最大燃(ran)(ran)(ran)(ran) 耗(hao)達到73GWd/tU時，其(qi)抗(kang)腐蝕性(xing)(xing)(xing)能(neng)優(you)(you)(you)(you)于(yu)Zr-4、MDA。國(guo)(guo)(guo)際上(shang)發達國(guo)(guo)(guo)家在(zai)(zai)(zai)(zai)開發新(xin)型(xing)高(gao)性(xing)(xing)(xing)能(neng)鋯合(he)(he)(he)金(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)的(de)(de)(de)(de)同時，通過優(you)(you)(you)(you)化(hua)合(he)(he)(he)金(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)成分(fen)配比(bi)或者(zhe)添加其(qi)它合(he)(he)(he)金(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)元素、改(gai)(gai)進加工(gong)工(gong)藝等方式還可(ke)開發出(chu)更加優(you)(you)(you)(you)良(liang)的(de)(de)(de)(de)鋯合(he)(he)(he)金(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)，以滿(man)足燃(ran)(ran)(ran)(ran)耗(hao)不斷提高(gao)的(de)(de)(de)(de)需要。在(zai)(zai)(zai)(zai)新(xin)型(xing)鋯合(he)(he)(he)金(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)成分(fen)改(gai)(gai)進方面，法國(guo)(guo)(guo)在(zai)(zai)(zai)(zai)總結(jie)M5 合(he)(he)(he)金(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)的(de)(de)(de)(de)使(shi)用(yong)(yong)(yong)(yong)經驗(yan)后(hou)開展(zhan)了對M5 鋯合(he)(he)(he)金(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)的(de)(de)(de)(de)優(you)(you)(you)(you)化(hua)改(gai)(gai)進，由于(yu)M5 合(he)(he)(he)金(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)在(zai)(zai)(zai)(zai)堆內運(yun)行(xing)過程中出(chu)現了燃(ran)(ran)(ran)(ran)料(liao)棒或燃(ran)(ran)(ran)(ran)料(liao)元件(jian)(jian)(jian)彎曲以及(ji)抗(kang)輻照生長性(xing)(xing)(xing)能(neng)差等異常現象，因(yin)此法國(guo)(guo)(guo)在(zai)(zai)(zai)(zai)M5 合(he)(he)(he)金(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)成分(fen)基礎上(shang)添加了少量(liang)(liang)的(de)(de)(de)(de)錫(xi)及(ji)鐵，在(zai)(zai)(zai)(zai)保持(chi)合(he)(he)(he)金(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)優(you)(you)(you)(you)良(liang)耐腐蝕性(xing)(xing)(xing)能(neng)基礎上(shang)大幅改(gai)(gai)善了合(he)(he)(he)金(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)的(de)(de)(de)(de)力學(xue)性(xing)(xing)(xing)能(neng)，尤(you)其(qi)是(shi)蠕變(bian)及(ji)輻照生長性(xing)(xing)(xing)能(neng)。美國(guo)(guo)(guo)西屋公司針對ZIRLO 合(he)(he)(he)金(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)的(de)(de)(de)(de)應用(yong)(yong)(yong)(yong)經驗(yan)，研制出(chu)優(you)(you)(you)(you)化(hua)ZIRLO 合(he)(he)(he)金(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)，是(shi)將ZIRLO 合(he)(he)(he)金(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)的(de)(de)(de)(de)錫(xi)水平從約(yue)1%降(jiang)(jiang)至0.6%到0.8%的(de)(de)(de)(de)范圍(wei)，采用(yong)(yong)(yong)(yong)優(you)(you)(you)(you)化(hua)ZIRLO 的(de)(de)(de)(de)先導(dao)試驗(yan)組件(jian)(jian)(jian)（LTA）入堆運(yun)行(xing)。與ZIRLO相比(bi)，優(you)(you)(you)(you)化(hua)的(de)(de)(de)(de)ZIRLO的(de)(de)(de)(de)包殼(ke)和結(jie)構(gou)組件(jian)(jian)(jian)具有以下性(xing)(xing)(xing)能(neng)：相似(si)(si)的(de)(de)(de)(de)燃(ran)(ran)(ran)(ran)料(liao)棒包殼(ke)蠕變(bian)、相似(si)(si)的(de)(de)(de)(de)PCI 破損閾值、相似(si)(si)的(de)(de)(de)(de)高(gao)溫氧化(hua)動力學(xue)和淬火后(hou)延伸行(xing)為、燃(ran)(ran)(ran)(ran)料(liao)棒腐蝕降(jiang)(jiang)低(di)40%、較低(di)的(de)(de)(de)(de)結(jie)構(gou)腐蝕和吸氫、高(gao)燃(ran)(ran)(ran)(ran)耗(hao)下較低(di)的(de)(de)(de)(de)燃(ran)(ran)(ran)(ran)料(liao)組件(jian)(jian)(jian)生長率。2008年以來，采用(yong)(yong)(yong)(yong)優(you)(you)(you)(you)化(hua)ZAIRLO的(de)(de)(de)(de)燃(ran)(ran)(ran)(ran)料(liao)棒在(zai)(zai)(zai)(zai)14個(ge)電廠進行(xing)了堆內運(yun)行(xing)考驗(yan)。

我國自主設計的燃(ran)料元件

在新型鋯合金工(gong)藝(yi)改進(jin)方(fang)面，采(cai)用(yong)合(he)(he)(he)適(shi)的熱(re)加(jia)(jia)(jia)工(gong)工(gong)藝(yi)還可(ke)以進(jin)一步改善鋯(gao)合(he)(he)(he)金(jin)的性能(neng)(neng)(neng)。如(ru)(ru)ZIRLO、M5等，由于這些合(he)(he)(he)金(jin)中的鈮(ni)含(han)量較高(gao)，其大部分會(hui)以第二(er)(er)相形式析出，在(zai)加(jia)(jia)(jia)工(gong)過程(cheng)中，如(ru)(ru)果熱(re)加(jia)(jia)(jia)工(gong)溫度過高(gao)，發(fa)生第二(er)(er)相的粗化(hua)和不均(jun)勻分布，可(ke)能(neng)(neng)(neng)會(hui)引起(qi)耐(nai)腐(fu)蝕(shi)性能(neng)(neng)(neng)變差，因而都(dou)強調要(yao)采(cai)用(yong)“低(di)(di)溫加(jia)(jia)(jia)工(gong)工(gong)藝(yi)”，即在(zai)包殼(ke)管材加(jia)(jia)(jia)工(gong)過程(cheng)中，采(cai)用(yong)較低(di)(di)熱(re)加(jia)(jia)(jia)工(gong)溫度及退火(huo)溫度的低(di)(di)溫加(jia)(jia)(jia)工(gong)工(gong)藝(yi)能(neng)(neng)(neng)夠獲得細(xi)小彌散的第二(er)(er)相組織，大幅改善了合(he)(he)(he)金(jin)的腐(fu)蝕(shi)及力學性能(neng)(neng)(neng)，尤其是耐(nai)腐(fu)蝕(shi)性能(neng)(neng)(neng)。

總的(de)來說，高(gao)燃耗(hao)燃料的(de)設計，要求延長這些部件在堆內的(de)停留(liu)時(shi)(shi)間和(he)提高(gao)冷(leng)卻劑(ji)溫度，從(cong)而使(shi)得鋯合(he)金部件面臨著更為(wei)苛刻的(de)使(shi)用環境，這些高(gao)要求促(cu)進了(le)改善鋯合(he)金包(bao)殼性能的(de)研究(jiu)，同時(shi)(shi)推(tui)動了(le)對具有更優良的(de)性能的(de)新型鋯合(he)金的(de)開發。

（作者(zhe)單位：中國(guo)核(he)動力研(yan)究設(she)計院(yuan)）