高溫耐輻照電機用硅鋼片輻照試驗研究

劉 磊，畢可明，劉天才，馬譽寧，徐海軍，柴寶華

（中國原子能科學研究院 反應堆工程技術研究部，北京 102413）

0 引言

目前，核反應堆、小型核動力裝置、航空航天等高科技領域對電機的耐高溫性能和耐輻照的要求越來越高。硅鋼主要用作電機的鐵芯，電機定子鐵芯是構成電機磁通回路和固定定子線圈的重要部件，在電機運行過程中起到導磁、匯集磁通的作用。

圖1 堆芯孔道布置Fig.1 Arrangement of reactor core duct

為防止鐵芯發生片間短路，硅鋼片絕緣漆的選擇顯得格外重要。隨著電機耐熱等級逐步提高，體積小型化以及使用的環境越來越嚴苛，對定子鐵芯硅鋼片絕緣在高溫輻照環境下提出了越來越高的要求，硅鋼片絕緣漆的性能要求也越來越嚴格[1-4]。

通過對硅鋼片表面噴涂以ZrO2為主的絕緣涂層，研制了耐溫500℃、耐輻照的硅鋼片。本文通過堆內高溫試驗，驗證硅鋼片在240℃和500℃下的耐輻照性能及輻照后的機械性能。

1 輻照樣品和裝置

1.1 試驗堆和孔道輻照樣品

1.1.1 試驗堆

輻照試驗在中國原子能科學研究院49-2 泳池式輕水反應堆（簡稱“49-2 堆”）上開展，孔道選用堆內D10 干孔道，位置如圖1 所示。

D10 孔道是位于反射層內的垂直輻照孔道，尺寸為外徑（68mm）×壁厚（1.5 mm）。堆滿功率下的分項通量為熱中子：3.28×1013n/cm2·s，超熱中子：1.14×1013n/cm2·s，快中子：1.39×1013n/cm2·s，γ 射線：2.18×106Gy/h。

1.1.2 輻照樣品

1）硅鋼片樣品制作

耐輻照硅鋼片制作流程：①對硅鋼片用丙酮擦拭除油；②用白玉剛沙粒進行吹沙處理；③再次用丙酮擦拭；④預熱至150℃；⑤采用高能等離子體噴涂工藝進行噴涂；⑥自然冷卻。

圖2 輻照樣品結構尺寸設計示意圖Fig.2 Schematic diagram of structure and size design of irradiated sample

噴涂材料是以ZrO2為主的涂層材料。硅鋼片總厚度為0.35mm，單側涂層厚約10μm，結合強度（劃痕法）≥30N。

2）硅鋼片樣品結構

結合試驗堆孔道的尺寸，硅鋼片輻照樣品的結構尺寸[5-7]設計如圖2 所示。

1.2 輻照裝置

輻照裝置主要由輻照工藝管、輻照樣品罐、溫控系統、測量系統、氣體管線5 部分構成。輻照工藝管為立式全密閉結構，殼體材料為鋁制，內部充滿一定壓力的氦氣；輻照樣品罐裝在輻照工藝管底部，主體為不銹鋼材料，具有加熱功能，用以模擬試驗要求的環境。裝置共設置6 個熱電偶溫度測點及2 個獨立加熱溫控區，由上至下分別為：1、2 區，溫度測量精確度優于±1℃，溫控精度優于±10℃。與獨立溫控區相對應，輻照樣品艙也分為A、B區。溫控系統根據試驗需求調節裝置內樣品罐的溫度，在達到所需溫度并穩定后，可進入自動溫控模式；測量系統用于在線測量硅鋼片的絕緣電阻；氣體管線與外界的氣體系統相連，可調節裝置內的壓力和氣體氛圍。輻照裝置構成如圖3 所示。

2 試驗方案

2.1 試驗樣品安裝

每3 個樣品疊壓形成固定面積接觸區，樣品測量端彼此反向分開，以連接測量用引線，最外層的樣品不進行測量。A、B 兩區樣品艙共設有可在線測量的樣品4 對（共12 片），另每個樣品艙上有1 組樣品（共6 片）不進行在線測量，輻照后的樣品都用于后期外觀與ZrO2涂層附著力檢測。

圖3 輻照裝置組成Fig.3 Composition of irradiation device

2.2 試驗方案

2.2.1 輻照前調試

將輻照裝置樣品罐進行高溫除氧，其他部件用酒精或丙酮進行清潔，再進行整體組裝，組裝后進行絕緣電阻測量；對裝置進行氦檢和壓力檢測后，進行抽真空氦洗3 次，進行絕緣電阻測量；在常溫時，對輻照裝置進行抽真空，并進行絕緣電阻測量，再以100℃/h 的升溫速率加熱輻照樣品，每升溫50℃時保溫0.5h 抽真空，同時進行絕緣電阻測量，直至溫度為300℃；在300℃保溫1h 后，以100℃/h 的降溫速率將硅鋼片樣品降至常溫。調試完成后，輻照裝置內充滿0.12MPa 氦氣。

2.2.2 輻照裝置入堆安裝

將輻照裝置整體調入D10 孔道，同時將測量系統、溫控系統、氣體管路在測試間安裝好，并將電纜和氣管穿過反應堆大廳貫穿孔；將輻照裝置與測試電纜和氣管連接；檢測測量系統、溫控系統、氣體壓力值是否正常工作；調整裝置內氦氣壓力，進行絕緣電阻測量；以100℃/h 的升溫速率加熱硅鋼片樣品直至300℃，并進行絕緣電阻測量；保持溫度在300℃，等待開堆。

2.2.3 在線測量

反應堆開堆至滿功率后，將A 區的加熱器以100℃/h 的速率停止加熱直至關閉，此時A 區熱電偶測量的是反應堆滿功率運行時的A 區樣品溫度值；同時，B 區加熱器以100℃/h 的升溫速率加熱至樣品為500℃，每隔4h 進行一次絕緣電阻測量。硅鋼片試驗樣品絕緣電阻測試電壓≥0.5V/DC，測量時，數字萬用表顯示值穩定即可記錄，數字萬用表輸出凈值應≥5kΩ。

2.2.4 輻照后停堆

圖4 樣品安裝示意圖Fig.4 Sample installation diagram

輻照試驗結束后，在反應堆停堆前，此時A 區的加熱器開啟，保持樣品溫度為240℃。在反應堆開始停堆時，A區和B 區加熱器繼續工作，保持溫度為240℃和500℃，待反應堆停堆后，以100℃/h 的速率將硅鋼片樣品降至常溫。

2.2.5 輻照后檢驗

拆除測試電纜和氣管，將裝置內壓力通過排氣閥降至0.1MPa。將輻照裝置整體從孔道吊出，放入儲存井。打開工藝管上段法蘭，將樣品罐調入轉移罐內，運至熱室。在熱室內，打開樣品罐，取出硅鋼片樣品，進行檢測[8,9]。

2.3 試驗步驟

1）輻照裝置裝入孔道后，進行功能性調試與檢測。

2）開堆前，常溫狀態下，對試驗件進行待檢參數測量。

3）開堆前，為抵抗快堆開堆產生的熱沖擊，輻照裝置以100℃/h 速率主動控制升溫至300℃，期間每100℃進行一次試驗件待檢參數測量。

4）開堆后至滿功率后，輻照裝置以100℃/h 速率主動控制升溫至500℃，期間每100℃進行一次試驗件待檢參數測量。

5）當試驗樣品溫度達到500℃并保持穩定后，每4h進行一次試驗件待檢參數測量。

6）停堆后，輻照裝置以100℃/h 速率主動控制降溫至100℃后，關閉溫度控制自然冷卻至常溫，期間每100℃進行一次試驗件待檢參數測量。

7）輻照裝置出堆，輻照劑量降低至可操作值，對輻照裝置進行切割后，攝像機檢查試驗件外觀情況。

圖5 輻照試驗布置圖Fig.5 Radiation test layout

3 試驗結果

試驗過程中，為了驗證溫度對受同一劑量照射的輻照樣品的影響，A 區的硅鋼片未加熱，溫度為反應堆滿功率狀態下的實測溫度230℃，B 區樣品的溫度通過加熱器升溫至500℃±10℃。

試驗在反應堆滿功率狀態下共進行了170h，每隔4h在線測量一次絕緣電阻，累積劑量達到熱中子：2.00×1019n/cm2，超熱中子：6.96×1018n/cm2，快中子：8.48×1018n/cm2，γ 射線：3.70×108Gy。

1）絕緣電阻性能

從輻照試驗結果可以看出：①在240℃和500℃時，隨著累計劑量的增加，絕緣電阻值略有下降；②在同一累積劑量下，240℃硅鋼片比500℃下的絕緣電阻值高。

輻照試驗結束后，在240℃和500℃時，對硅鋼片樣品進行耐壓測試（100VDC，1min），樣品未擊穿，證明了硅鋼片樣品的耐壓性能良好。

2）機械性能

輻照后，將硅鋼片樣品從輻照裝置內取出，進行機械性能檢測[13,14]。在熱室的高倍鏡下目視，樣品表面無裂紋、涂層無凸起；用機械手夾持樣品在外徑φ15 的陶瓷管上彎曲，彎曲后，硅鋼片表面涂層無裂紋、無碎屑等損傷；另將樣品放置在平臺上，用劃痕法測試涂層與硅鋼片的結合力，在30N 的力下，涂層表面有劃痕，在高倍放大鏡下觀察無裂痕。

表1 測量次數—累積劑量對應表Table 1 Measurement times-cumulative dose table

圖6 絕緣電阻測試結果圖Fig.6 Insulation resistance test result chart

4 結論

在49-2 堆上開展了高溫耐輻照電機用硅鋼片的輻照試驗，輻照裝置保證了試驗時所需的240℃、500℃、0.12MPa氦氣等環境，同時在線測量了硅鋼片的絕緣電阻性能。在輻照試驗過程中，各組硅鋼片具有較好的絕緣性能，而且絕緣電阻波動較小；對硅鋼片絕緣性能進行比較，可以得出硅鋼片在同一劑量水平下，溫度對絕緣性能的影響較小，可以忽略不計；輻照后目測硅鋼片，絕緣涂層無損傷；輻照后硅鋼片進行刮劃和高處摔落，無裂紋和碎屑。試驗證明，帶ZrO2絕緣涂層的硅鋼片在240℃和500℃高溫下絕緣性能和機械性能良好，且絕緣性能基本不受溫度影響，可用于高溫耐輻照電機中。