本發(fā)明涉及核燃料元件包殼領域，尤其是涉及一種可用作水冷核反應堆較高燃耗下或較高溫度下的燃料棒包殼管。特別地，本發(fā)明涉及在水冷核反應堆中表現(xiàn)出改良耐腐蝕性能及較好熱強性的燃料包殼管，這種包殼管可提高燃料棒的抗LOCA事故的能力。

背景技術：

鋯合金由于熱中子吸收截面小、導熱率高、機械性能好，又具有良好的加工性能以及同UO₂相容性好，尤其對高溫水、高溫水蒸氣也具有良好的抗蝕性能和足夠的熱強性，因此被廣泛用作水冷動力堆的包殼材料和堆芯結(jié)構材料。

目前，鋯合金中可添加的合金元素雖然受到熱中子吸收截面大小的限制，但仍然形成了多種系列的鋯合金，概括起來主要有Zr-Sn系、Zr-Nb系和Zr-Sn-Nb系三大類。Zr-Sn系主要有Zr-2合金、Zr-4合金和低錫Zr-4合金等，Zr-Nb系有Zr-2.5％Nb合金(本文中除非特別說明，所有成分均為質(zhì)量百分數(shù))、Zr-1％Nb合金和M5合金，Zr-Sn-Nb系包括美國西屋公司的ZIRLO合金、日本的NDA合金、俄羅斯的E635合金以及我國的N18合金、N36合金等。

為了進一步提高核電的經(jīng)濟性和安全性，核燃料元件越來越向高燃耗、長循環(huán)方向發(fā)展，這對鋯合金包殼材料不斷提出新的要求和挑戰(zhàn)。為此，世界各國從來沒有停止過鋯合金研究發(fā)展的步伐。

第一代鋯合金如常規(guī)Zr-4合金燃耗只能達到30GWd/tU，優(yōu)化Zr-4合金燃耗可達40-50GWd/tU；

上世紀70年代以來國內(nèi)外開發(fā)了第二代鋯合金，用于壓水堆的主要有：E635合金、ZIRLO合金和M5合金等。ZIRLO合金被批準的燃料組件燃耗為60GWd/tU，優(yōu)化ZIRLO合金被批準的燃料組件燃耗可達70GWd/tU；M5合金被批準的燃料組件燃耗為52-62GWd/tU，德國批準的M5合金燃料組件燃耗達70GWd/tU。

目前，國內(nèi)外仍在不斷開發(fā)新的鋯合金包殼材料，以提高其耐腐蝕性能、吸氫性能、力學性能、抗輻照生長性能和抗輻照蠕變性能，其中耐腐蝕性能和吸氫性能是鋯合金最關鍵且最易產(chǎn)生變化的性能。

2011年日本福島核事故后，對燃料棒抗LOCA事故的能力提出了更高的要求。目前，本領域技術人員試圖找到一種抗LOCA事故的燃料棒包殼材料。

技術實現(xiàn)要素：

鑒于現(xiàn)有鋯合金包殼管的不足，本發(fā)明所要解決的技術問題是提供一種耐高溫高壓水介質(zhì)腐蝕的新型燃料棒包殼管，具有更為優(yōu)異的耐水側(cè)腐蝕性能和較好的熱強性，可提高燃料棒的抗LOCA事故的能力。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種核燃料元件包殼鋯合金鈦合金復合管及其制備方法，具體地，本發(fā)明提供的技術方案如下：

一種核燃料元件包殼鋯合金鈦合金復合管的制備方法，包括以下步驟：

a)將鋯合金坯料經(jīng)過加工，制備成鋯合金管坯；

b)將鈦合金坯料經(jīng)過加工，制備成鈦合金管坯；

c)將鈦合金管坯裝配在鋯合金管坯外，放入電子束焊箱內(nèi)抽真空，然后對鈦合金管坯和鋯合金管坯的上端面和下端面進行電子束焊接，使鈦合金管坯和鋯合金管坯的接觸面之間的間隙保持真空，得到擠壓管坯；

d)將擠壓管坯包上內(nèi)包套和外包套，在真空條件下或惰性氣體保護下加熱，然后利用擠壓機進行擠壓，得到軋制管坯；

e)去除內(nèi)包套和外包套，將軋制管坯進行清洗之后，通過軋制工藝獲得鋯合金鈦合金復合管，鋯合金鈦合金復合管中鋯合金管和鈦合金管間具有冶金結(jié)合層。

優(yōu)選地，步驟a中的鋯合金坯料包括純鋯和鋯基合金，鋯基合金包括Zr-Sn系、Zr-Nb系或Zr-Sn-Nb系合金。

優(yōu)選地，步驟b中的鈦合金坯料包括純鈦和鈦基合金，鈦基合金包括α鈦合金、α+β鈦合金或β鈦合金。

優(yōu)選地，在步驟c前將鋯合金管坯和鈦合金管坯進行機加工和表面清洗，使接觸面保持清潔。

優(yōu)選地，步驟c中抽真空至低于3×10^-3Pa。

優(yōu)選地，步驟d中的加熱溫度為700℃-1250℃。

一種核燃料元件包殼鋯合金鈦合金復合管，復合管包括冶金結(jié)合的內(nèi)層管材和外層管材，內(nèi)層管材為鋯合金，外層管材為鈦合金，復合管還包括位于內(nèi)層管材與外層管材之間的冶金結(jié)合層，冶金結(jié)合層含有的元素來自內(nèi)層管材和外層管材。

優(yōu)選地，冶金結(jié)合層含有的元素包括Zr、Ti、Al、V、Cr、Mn、Cu、Fe、Mo、Ni、Sn、Co、Nb、Si、C、O、N、S、Be等元素中的一種或多種。

優(yōu)選地，內(nèi)層管材的厚度為0.05mm～0.95mm，外層管材的厚度為0.05mm～0.70mm，冶金結(jié)合層的厚度為0.001mm～0.20mm。

一種使用核燃料元件包殼鋯合金鈦合金復合管的核燃料棒，核燃料棒包括燃料芯體和包殼。包殼為鋯合金鈦合金復合管，從內(nèi)到外依次為鋯合金、冶金結(jié)合層和鈦合金，燃料芯體設置在鋯合金鈦合金復合管中。

由于上述技術方案的采用，本發(fā)明與鋯合金包殼管材相比具有以下特點：

第一，通過本發(fā)明獲得的鋯合金鈦合金復合管為異種金屬復合管，其抗水側(cè)腐蝕性能要優(yōu)于鋯合金包殼管。本發(fā)明在現(xiàn)有技術的核燃料包殼鋯合金管的外側(cè)，通過冶金結(jié)合增加了一層鈦合金層，由于鈦合金材料在高溫高壓水介質(zhì)中的抗腐蝕性能要優(yōu)于鋯合金，特別是在蒸汽條件下具有較慢的氧化速率，避免了鋯合金包殼管在高溫下發(fā)生由于過度氧化而導致的脆化失效，因此，復合管可以提高燃料棒包殼管的耐水側(cè)腐蝕性能。

第二，通過本發(fā)明獲得的異種金屬復合管，其熱強性要優(yōu)于鋯合金包殼管。本發(fā)明所述的鋯合金鈦合金復合管，鋯合金管材與鈦合金管材之間是冶金結(jié)合層。該冶金結(jié)合層起著粘結(jié)作用，使鋯合金與鈦合金之間緊密結(jié)合沒有間隙，由于鈦合金的高溫強度要優(yōu)于鋯合金的緣故，使得復合管的熱強性要優(yōu)于鋯合金管材。

第三，通過本發(fā)明獲得的異種金屬復合管，具有良好的導熱性能。由于復合管中的鋯合金管材與鈦合金管材之間是冶金結(jié)合，兩種管材之間沒有間隙存在，因此，復合管具有良好的導熱性能。

因此，與鋯合金包殼管相比，本發(fā)明的鋯合金鈦合金異種金屬復合管具有更為優(yōu)異的耐水側(cè)腐蝕性能和較好的熱強性，在較高溫度下可確保燃料棒的結(jié)構完整性，可提高燃料棒抗LOCA事故的能力，適用于水冷核反應堆較高燃耗下或較高溫度下的燃料棒包殼管。

以下將結(jié)合附圖對本發(fā)明的方法及產(chǎn)生的技術效果作進一步說明，以充分地了解本發(fā)明的目的、特征和效果。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的較佳實施例的復合管剖面圖。

圖2是本發(fā)明的較佳實施例的擠壓管坯端部裝配示意圖。

圖3是本發(fā)明的較佳實施例的復合管的冶金結(jié)合層的示意圖。

具體實施方式

如圖1所示為本發(fā)明較佳實施例的復合管剖面圖，復合管包括內(nèi)層管材1和外層管材2。其中內(nèi)層管材1采用鋯合金，外層管材2采用鈦合金。復合管還包括位于內(nèi)層管材1和外層管材2之間的冶金結(jié)合層3，其所含元素來自內(nèi)層管材1和外層管材2。

本較佳實施例采用的鋯合金優(yōu)選為Zr-4合金，Zr-4合金管材厚度為0.35～0.55mm；鈦合金優(yōu)選為Ti-6Al-4V鈦合金，鈦合金管材厚度為0.15-0.35mm；冶金結(jié)合層厚度為0.01mm-0.1mm。鋯合金鈦合金復合管的厚度為0.50mm-0.65mm，外徑為8.0mm-12mm，長度為1.0m-6.0m。

本發(fā)明較佳實施例的鋯合金鈦合金異種金屬復合管的制備過程和步驟如下：

(1)通過加工，將Zr-4合金坯料制備成Zr-4合金管坯；

(2)通過加工，將Ti-6Al-4V鈦合金坯料制備成Ti-6Al-4V鈦合金管坯；

(3)將兩種管坯進行機加工和表面清洗，使接觸面保持清潔；

(4)將加工好的兩種管坯進行裝配，如圖2所示，鈦合金管坯(外層管材2)裝配在鋯合金管坯(內(nèi)層管材1)外，放入電子束焊箱內(nèi)抽真空，真空低于3×10^-3Pa，然后對管坯端面進行電子束焊接，使兩者接觸面之間的間隙保持真空，得到擠壓管坯。

(5)將擠壓管坯包上內(nèi)、外包套，在真空條件下在1150℃加熱，然后在擠壓機上進行擠壓，得到軋制管坯。

(6)去除內(nèi)、外包套，將軋制管坯進行清洗之后，通過軋制工藝獲得復合管。如圖3所示，其中鋯合金管(內(nèi)層管材1)和鈦合金管(外層管材2)之間形成一層冶金結(jié)合層3。

由于外層的Ti-6Al-4V鈦合金具有優(yōu)異的耐腐蝕性，特別是在高溫高壓水介質(zhì)中顯示出優(yōu)于鋯合金的抗腐蝕性，在反應堆發(fā)生LOCA事故時能夠減緩高溫氧化；同時，Ti-6Al-4V鈦合金的高溫強度要優(yōu)于鋯合金，因此，該復合管的熱強性要優(yōu)于鋯合金。因此，與鋯合金包殼管相比，本發(fā)明的異種金屬復合管具有更為優(yōu)異的耐水側(cè)腐蝕性能和較高的熱強性，可提高燃料棒的抗LOCA事故的能力，適用于核反應堆較高燃耗下或較高溫度下的燃料棒包殼管。

以上詳細描述了本發(fā)明的較佳具體實施例。應當理解，本領域的普通技術無需創(chuàng)造性勞動就可以根據(jù)本發(fā)明的構思做出諸多修改和變化。因此，凡本技術領域中技術人員依本發(fā)明的構思在現(xiàn)有技術的基礎上通過邏輯分析、推理或者有限的實驗可以得到的技術方案，皆應在由權利要求書所確定的保護范圍內(nèi)。