核電站用纖維保溫材料輻照考驗及微觀分析研究

白 冰，林 虎，龔代濤，魚濱濤，佟振峰，楊 文

（1.中國原子能科學研究院 反應堆工程研究設計所，北京 102413；2.中核核電運行管理有限公司，浙江 嘉興 314300）

由于核電站反應堆內的強放射性、高溫等因素的影響，材料的老化速度較一般環境更快。因此，對于核電站，材料的抗老化性能十分重要。核電站為了保證運行安全，必須長期監測堆內材料的性能，并對材料的使用壽命進行評估。長期以來，核電站一直將受到大量輻照的承壓部件作為監督的重點，近年來隨著核電的不斷發展，人們開始意識到其他堆內材料的使用壽命問題。Candu型反應堆是我國引進的先進堆型，它在堆內大量使用耐高溫的復合硅酸鹽纖維材料作為保溫層。同其他材料一樣，耐高溫的復合硅酸鹽纖維由于受到高溫和高能射線的長時間作用，材料本身會發生不可逆轉的變化，從而導致性能的劣化。根據核電站的實際經驗，在纖維保溫層使用一定年限后，其最表面的纖維布會發生破損［1］。這將直接造成內部纖維的外泄，并污染堆內環境，因此，對核電站用纖維保溫材料進行完整性評估十分必要。本工作對秦山提供的國產纖維布材料進行不同劑量水平的加速輻照，研究溫度對未輻照保溫纖維布的拉伸性能的影響，并通過掃描電鏡等微觀分析手段，分析輻照劑量和溫度對該纖維布結構和成分的影響。

1 試驗材料及試驗方法

1.1 試驗材料

本次試驗用材料為秦山第三核電有限公司提供的國產纖維布材料。試驗用纖維布試樣根據標準《玻璃纖維拉伸斷裂強力和斷裂伸長的測定》（GB／T 7689.5—1995）規定的Ⅱ型試樣制備［2］。其具體尺寸形狀如圖1所示。

圖2為纖維布試樣宏觀照片（圖2a為緯向試樣，圖2b為經向試樣）。其中試樣中間部分為有效段，兩端為測試時夾持段。夾持段涂有粘結劑，以防止試驗時試樣脫絲或滑動等現象造成試驗數據無效。

圖1 纖維布試樣尺寸Fig.1 Size of fiber cloth sample

圖2 纖維布試樣宏觀照片Fig.2 Photo macrograph of fiber cloth sample

1.2 試驗方法

1）輻照試驗

根據中子和γ輻射劑量的要求［3-4］，選擇了49-2游泳池式反應堆內反射層的垂直孔道進行輻照試驗。由于該反應堆現有的輻照孔道均為濕孔道，無法滿足本次試驗的溫度和中子注量要求，因此，設計加工一根φ125mm×4mm 的干孔道，以滿足試驗要求。為了能準確模擬保溫塊樣品的堆內服役工況，設計加工一套帶控溫系統的輻照裝置，保證輻照期間樣品的溫度為設定溫度（260℃）。輻照孔道的相關參數列于表1。

孔道編號 類型 直徑／mm 允許裝載直徑／mm γ照射量率／（Gy·s-1）熱中子注量率／（cm-2·s-1）中子照射量率／（Gy·s-1）γ本底照射量率／（Gy·s-1）5＃垂直孔道 干孔道 125 110 6.35×1012 242.87 0.772 243.06

根據工作環境中屏蔽保溫塊的γ輻射吸收劑量率（300 mGy／h）與中子輻射吸收劑量率（120mGy／h）的比例關系，6a的輻照劑量，中子累積吸收劑量為6 307.2Gy，γ累積吸收劑量為15 768Gy；8a的輻照劑量，中子累積吸收劑量為8 409.6Gy，γ累積吸收劑量為21 024Gy。輻照溫度為260 ℃。

由于49-2反應堆不能滿足上述γ照射量與中子照射量比值，因此采用兩種射線分別累加的方式進行輻照。輻照樣品置入孔道中后，開堆先進行中子輻照，滿足中子累積吸收劑量后停堆進行γ輻照，待γ輻射累積吸收劑量滿足要求后從堆內取出。

2）輻照溫度控制

為能準確模擬保溫塊樣品的堆內服役工況，設計加工一套帶控溫系統的輻照裝置（圖3），并在輻照裝置中大量使用金屬隔板輔助導熱，保證輻照期間樣品的溫度為設定溫度（260℃）。

圖3 入堆加速輻照考驗試驗輻照裝置剖視圖Fig.3 Sectional view of irradiation device for accelerated irradiation test in reactor

輻照試驗前，將所有樣品放入輻照裝置的電加熱容器內，加熱到260 ℃，待溫度完全穩定后將裝置放入堆芯，然后啟動反應堆到需求功率開始輻照試驗。由固定在樣品中心的熱電偶測量并控制樣品的溫度。根據試驗記錄，在整個輻照試驗過程中，樣品中心最大溫度波動為-4 ℃。

1.3 性能測試及顯微結構表征

所有試樣輻照前后力學性能試驗是在CMT6104微機控制萬能電子試驗機上進行的。試驗機精度等級0.5 級，拉伸速率范圍0.001～500 mm／min，最大試驗力10kN。自主研發接觸式高溫爐最高溫試驗溫度500 ℃，控溫精度±5 ℃。

選取不同條件下的試樣分別進行掃描電鏡（SEM），能量色散X 射線光譜（EDS）及X 射線衍射分析（XRD）的表征。

2 試驗結果及分析

2.1 斷裂強力試驗結果與分析

對非放的經向纖維布（室溫）、非放的緯向纖維布（室溫、80、140、200、260、320℃）均進行斷裂強力試驗［5］。經向纖維布的斷裂強力略低于緯向纖維布的試驗結果（表2）。根據多溫度下的試驗結果（圖4），纖維布斷裂強力隨溫度升高呈先升高，后降低的趨勢。從室溫到100 ℃隨溫度升高斷裂強力也不斷上升；當試驗溫度超過100 ℃后斷裂強力開始下降；試驗溫度達260 ℃時斷裂強力下降趨勢開始趨于緩和。可知該保溫纖維布在高溫環境下，力學性能會有一定程度的下降。

試驗樣品 輻照劑量水平 試驗溫度 斷裂強力／N經向纖維布 未輻照 室溫 2 455±267緯向纖維布 未輻照 室溫2 746±464

圖4 未輻照纖維布斷裂強力隨溫度的變化Fig.4 Fracture force of un-irradiated fiber cloth under different temperatures

2.2 顯微結構表征及分析

在SEM 顯微觀察中，對未進行拉伸試驗的纖維布進行纖維表面的形貌觀察（圖5），對拉斷的試驗樣品進行斷口形貌的顯微觀察，結果示于圖6～7。

從圖5可看出，輻照對保溫棉材料的表面形貌影響不明顯。輻照前后，纖維表面均比較平整光滑，有少量的突起和凹坑，應為試樣加工后留下的損傷。

圖6為輻照前后試樣在室溫下拉伸后的斷口形貌圖。可看出，纖維在室溫下拉伸后均表現為明顯的脆性斷口，8a累積劑量水平的試樣斷面上出現了明顯的放射狀花樣。輻照后的試樣斷面上能觀察到少量的孔洞，但不排除是試樣本身加工后形成的缺陷。

圖7為輻照前后試樣在260 ℃下拉伸后的斷口形貌圖。可看出，纖維在260℃下拉伸后均表現為明顯的脆性斷口。斷口干凈較平整，無明顯孔洞。輻照前后，試樣的斷口均有少量的放射狀花樣。目測高溫下斷口較室溫下的平整，脆性更明顯。這與前面所述高溫環境下，保溫纖維布的力學性能有一定程度下降的趨勢相符。

為分析輻照對材料成分的影響，本文對纖維表面進行EDS 成分分析，分析結果列于表3。

由表3可看出，輻照前后，纖維布表面主要元素含量變化均不明顯，輻照后僅O 含量略微增加，Si含量略微下降。因此，輻照對纖維的成分幾乎無影響。

為觀察纖維布結構是否受輻照影響而發生非晶向晶化的轉變，分別對輻照前后未拉伸的樣品進行XRD 表征（圖8）。可看出，纖維布為典型的非晶結構，輻照后，結構上無明顯變化。但可發現，相對于未輻照的試樣，輻照后試樣的峰位均發生了左移，且峰寬變窄。可推測，輻照后該纖維布材料有少量非晶晶化的產生。

3 結論

1）在49-2游泳池式反應堆中完成所有纖維布試樣輻照試驗，達到材料服役6a累積劑量，試樣輻照劑量測量值為：中子累積照射量6 307.2Gy，γ累積照射量15 768Gy；達到材料服役8a累積劑量，試樣輻照劑量測量值為：中子 累 積 照 射 量8 409.6Gy，γ 累 積 照 射 量21 024Gy。

w／%輻照水平O Na Mg Al Si Ca未輻照 54.94 6.75 1.74 2.21 19.87 7.1 6a累積劑量 61.01 6.94 1.5 1.85 16.57 6.53 8a累積劑量57.59 8.03 1.61 1.87 15.67 7.16

圖8 不同輻照劑量水平的纖維布基體XRD 試驗結果Fig.8 XRD result of fiber cloth with different doses

2）經輻照后，纖維布在室溫和260 ℃溫度下的力學性能有不同程度的下降；根據多溫度下的試驗結果，緯向纖維布斷裂強力隨溫度升高呈先升高，后降低的趨勢。

3）通過SEM 顯微觀察可知，輻照對于保溫材料的表面形貌影響不明顯。

4）EDS成分分析結果顯示，輻照未明顯改變纖維的成分；XRD 試驗結果顯示纖維布為典型的非晶結構，輻照前后材料有少量非晶晶化的趨勢。

［1］ 林虎，寧廣勝，佟振峰，等.核電站用玻璃纖維保溫材料耐輻照試驗［C］∥2013 年核電廠老化與壽命管理研討會會議論文集.［出版地不詳］：［出版者不詳］，2013：99-104.

［2］ 李峻青，徐用軍，張懷志.γ射線輻照對碳纖維及其復合材料力學性能的影響［J］.合成纖維，2006（4）：31-33.LI Junqing，XU Yongjun，ZHANG Huaizhi.The effect on mechanical properties of carbon fiber and composite material under γ-irradiation［J］.Synthetic Fiber，2006（4）：31-33（in Chinese）.

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