锆是热中子吸收截面最低的金属之一，通过在锆中增长肯定的元素（锡、铁、铬等）造成的锆合金拥有优良的耐高温水侵蚀机能、优良的综合力学机能和较高的导热机能等一系列利益，是目前轻水反映堆燃料元件唯一梦想使用的包壳资料
。与早期使用的奥氏体不锈钢作为燃料包壳相比，选取锆合金显著削减了中子损失，提高了燃料的利用率
。此表，锆棒、锆管等锆合金还宽泛用于堆芯其他结构资料，如燃料棒端塞,为燃料棒提供径向和轴向支持的定位格架，供组件有关棒插入的导向管,为包容燃料棒束和为十字形节造棒组件提供高低移动通路的元件盒等
。

通常，一座贸易核电站中必要使用大量锆材，我国秦山二期核电站（2x60 万千瓦装机容量），仅首炉装料就使用了63888 支包壳管，沉量约25 吨，以此推算一台百万千瓦级核电机组，每一个换料周期（12 个月或18 个月），1/3 的燃料组件必要更换，在整个寿命周期内（40年）将亏损至少400吨锆合金包壳
。

随着压水堆燃料功率、安全靠得住性和经济性的提高，作为长循环、高燃耗燃料元件的燃料包壳必要拥有更优异的机能，蕴含拥有高的耐水侧侵蚀机能和抗吸氢机能、高的抗辐照成长和蠕变机能，在变乱前提下抗氧化和抗氢化、抗芯块与包壳相互作用（PCI）的能力、以及优良的空间不变性等
。自上世纪70年代以来，美、俄、法、日、韩等国通过总结改善燃料组件设计、调整和节造反映堆运行前提以及改善包壳资料侵蚀机能的钻研，成功开发了各类新型锆合金包壳资料，如ZIRLO、AXIOM、E635、M5、HANA、NDA、J-AlloyTM、MDA、M-MDA
。

1、美国

美国西屋公司开发的ZIRLO 合金作为燃料元件的包壳资料，在BR3 堆中经均匀燃耗为71GWd/tU 的考验后，其均匀侵蚀比Zr-4 合金幼50%，辐照成长和蠕变机能也优于Zr-4合金
。

AXIOM 是西屋公司开发的一种先进包壳资料，目前有五种备选合金，别离是X1、X2、X4、X5 和X5A
？XIOM 的主张是满足越来越富有挑战的燃料治理打算的要求
。总体来讲，设计的合金及其相宜的显微组织结构获得了更好的抗侵蚀性、较低的吸氢、较低的蠕变、较幼的成长和对异常运行工况及异常事务拥有较好的抵抗能力
。从2004 年在美国装置上进行了初次辐照以来，AXIOM 被纳入了多个反映堆和辐照打算中
。AXIOM合金在多个装置中的运行经验以及在多种工况下的试验证了然其优越的抗侵蚀机能
。

2、俄罗斯

俄罗斯开发的E635 合金原打算取代E110 合金作为RBMK 堆用燃料元件包壳资料，选取E635 合金造成的燃料棒经试验堆和贸易堆进行了辐照考验，了局批注，E635 包壳燃料棒表表氧化成长速度与E110 相当，其抗辐照蠕变和成长大大优于E110 合金，入堆的E635 包壳燃料棒未产生破损
。

3、法国

法国开发的M5合金在目前已商用的锆合金包壳资猜中阐发出了极好的抗侵蚀机能，它含有1%迪腙，不含锡且能很好节造氧、铁和硫的含量，并拥有由于选取低温工艺而形成的不变的全再结晶化微观结构，在高燃耗和大功率辐照前提下会产生极度低的侵蚀率，且吸氢量极度低
。堆内辐照考验批注，当燃耗达到60GWd/tU时，M5合金的氧化膜厚度只有Zr-4合金的1/3，吸氢量只有Zr-4合金的1/5，并且辐照成长和蠕变机能都优于Zr-4合金
。

4、韩国

HANA 合金是韩国钻研开发的锆合金，指标是满足燃耗高达70GWd/tU的燃料包壳使用要求
。HANA系列为含锆铬合金，并增长锡、铁或铜等微量合金元素，以提高燃料包壳的抗侵蚀机能
。从2003 年起头，HANA 系列合金入钻研堆进行堆内机能试验，入堆辐照的HANA合金最终热处置选取510℃退火，获得部门再结晶（p-RXA）的显微组织
。了局证明其堆内抗侵蚀性比Zr-4提高了30%-50%
。其后，HANA-4和HANA-6入商用堆进行辐照考验，了局证明其抗堆内侵蚀和蠕变机能优于参照锆铬合金包壳
。

5、日本

J-AlloyTM 是日本开发的含铌锆合金系列，蕴含J1、J2 和J3 三种候选资料，含这三种候选资料的先导试验组件已入西班牙的商用堆进行了2 个循环的考验，了局证明燃耗达到50GWd/tU时，J-AlloyTM的抗侵蚀机能优于Zr-4、MDA
。

M-MDA 是日本在MDA 合金基础上的改进合金，属于锆锡铬（Zr-Sn-Nb）系合金，与MDA 合金相比，降低了合金中的锡、铁含量，提高了铬含量
。目前，含MDA、M-MDA 资料的先导试验组件在西班牙的商用堆进行了4 个循环的考验，了局证明M-MDA 最大燃 耗达到73GWd/tU时，其抗侵蚀机能优于Zr-4、MDA
。国际上蓬勃国度在开发新型高机能锆合金的同时，通过优化合金成分配比或者增长其它合金元素、改进加工工艺等方式还可开发出越发良好的锆合金，以满足燃耗不休提高的必要
。在新型锆合金成分改进方面，法国在总结M5 合金的使用经验后发展了对M5 锆合金的优化改进，由于M5 合金在堆内运行过程中出现了燃料棒或燃料元件弯曲以及抗辐照成长机能差等异常景象，因而法国在M5 合金成分基础上增长了少量的锡及铁，在维持合金良好耐侵蚀机能基础上大幅改善了合金的力学机能，尤其是蠕变及辐照成长机能
。美国西屋公司针对ZIRLO 合金的利用经验，研造出优化ZIRLO 合金，是将ZIRLO 合金的锡水平从约1%降至0.6%到0.8%的领域，选取优化ZIRLO 的先导试验组件（LTA）入堆运行
。与ZIRLO相比，优化的ZIRLO的包壳和结构组件拥有以下机能：类似的燃料棒包壳蠕变、类似的PCI 破损阈值、类似的高温氧化动力学和淬火后延长行为、燃料棒侵蚀降低40%、较低的结构侵蚀和吸氢、高燃耗下较低的燃料组件成长率
。2008年以来，选取优化ZAIRLO的燃料棒在14个电厂进行了堆内运行考验
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我国自主设计的燃料元件

在新型锆合金工艺改进方面，选取相宜的热加工工艺还能够进一步改善锆合金的机能
。如ZIRLO、M5等，由于这些合金中迪腙含量较高，其大部门会以第二相大局析出，在加工过程中，若是热加工温度过高，产生第二相的粗化和不均匀散布，可能会引起耐侵蚀机能变差，因而都强调要选取“低温加工工艺”，即在包壳管材加工过程中，选取较低热加工温度及退火温度的低温加工工艺可能获得藐幼弥散的第二相组织，大幅改善了合金的侵蚀及力学机能，尤其是耐侵蚀机能
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总的来说，高燃耗燃料的设计，要求耽搁这些部件在堆内的停顿功夫和提高冷却剂温度，从而使得锆合金部件面对着更为刻薄的使用环境，这些高要求推进了改善锆合金包壳机能的钻研，同时推动了对拥有更良好的机能的新型锆合金的开发
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（作者单元：中国核动力钻研设计院）