欧洲能源研究联盟发布核能材料战略研究议程

  

        322日,欧洲能源研究联盟(EERA)发布《可持续核能材料战略研究议程》[1],确定了欧盟将要开展的核材料研究路线,以确保为欧盟第四代核反应堆的设计、许可、建设与安全长期运行提供合适的结构和材料,促进第四代核反应堆的商业部署。EERA是由欧洲进行低碳能源研究的科研机构和高校组成的最大的非营利性国际协会,是欧盟战略能源研究计划(SET-Plan)的研究支柱,目前共开展了17个低碳能源技术领域的联合计划,确定了各领域的关键优先事项。本议程提出重点开展结构材料和燃料材料研究两个主题。

  一、反应堆结构材料研究

  1、材料的性能机理研究

  1)金属材料的高温力学行为和性能衰退研究:实验和模拟结合研究金属材料(奥氏体钢、马氏体铁素体双相钢、镍基合金等)的高温蠕变特性,分析材料的蠕变机制,金属材料的循环塑性和疲劳测试研究,并收集相关实验数据;开展金属材料的蠕变疲劳损伤及断裂机制分析;金属材料高温强度研究。

  2)冷却剂和结构材料的环境匹配性研究:针对液态金属(如奥氏体钢)冷却,开展液态金属的腐蚀核防护技术研究;液态金属脆裂失效机制研究。

  3)结构材料辐射效应:针对结构材料的辐射损伤问题如辐照肿胀与蠕变现象、辐照硬化与脆化、辐照疲劳与蠕变相互作用等,开展系统研究,以研究出相关的防护技术提升材料的使用寿命。

  4)焊接件质量评估:研究焊接件在反应堆的温度、压力和强辐照条件下的稳定性和相容性问题,提升焊接工艺,改进焊接质量。

  2、先进结构材料的模型和表征

  1)结构材料的微结构和微化学演变研究:对高温高压高辐射环境下材料的微观组织、结构变化过程进行表征和研究,如辐射硬化和脆化、辐射诱导的材料组分分离和沉积等。

  2)辐照后的材料机械行为研究:利用高能离子束模拟研究、了解和预测辐射损伤诱发的结构材料的物理机械性能下降的复杂机械行为,如循环塑性和疲劳、蠕变疲劳损伤相互作用。

  3)材料断裂机理研究:开发计算机模型,动态图拟合出材料断裂整个过程,探究材料起裂、裂缝传播作用机理。

  4)陶瓷/复合材料性能研究:利用先进的成像和计算机模拟技术对反应堆使用的陶瓷材料/复合材料的耐高温、耐腐蚀、耐辐射的物理化学特性进行测试研究。

  3、先进结构材料研发

  1)结构材料制备工艺:开发更加高效、简洁、经济的结构材料制备工艺,如可以引入3D打印技术,减少材料的制造周期和成本。

  2)奥氏体钢性能改善:通过添加少量的添加剂,减少点缺陷,开发出辐照肿胀和热膨胀系数更低的奥氏体钢材,降低材料的抗辐照肿胀性。

  3)马氏体铁素体双相钢(F/M钢):开发新的制备工艺,制造出具备耐高温、良好的抗辐照肿胀性的氧化物弥散强化F/M钢;开发新的氧化物弥散强化F/M钢焊接工艺;研发新的防氚渗透耐蚀绝缘涂层材料。

  4SiC核包壳材料的开发和性能分析:开发高性能的SiC核包壳材料,发展标准化的测试手段(如利用扫描电镜、透射电镜、热导率表征手段等)来研究中子辐照SiC核包壳材料缺陷分析;探究材料的抗高温氧化性能和抗腐蚀性。

  5)耐火合金材料:研发新的Mo元素掺杂的V-Cr-Ti合金熔炼制备技术,提升材料的高温强度(耐火性)、抗中子辐照肿胀、耐腐蚀特性等。

  6)新型核结构材料:研发能够抵抗更高温度和更大辐照剂量的新型多元高熵合金材料,探索不同元素组合对材料性能的影响;通过对材料组分和材料微结构的调控,改善新型MAX相结构材料(即新型的三元陶瓷材料)的耐腐蚀、抗辐照和耐高温性能。

  二、反应堆燃料材料研究

  1、材料性能机理研究

  1)高熔点核燃料材料:开发熔点更高、物理化学性质稳定的新型燃料棒材料,提升安全裕度。

  2)原子输运和微结构演化研究:探究辐照环境下,核燃料点缺陷的形成、扩散行为机理研究;探究在核反应堆环境中材料微结构的演变规律,及其对结构稳定性、力学性能特性影响。

  3)裂变产物研究:针对反应堆本体一回路裂变产物(如氦、氪、氙等放射性气体以及其他放射性微粒等)开展产物的微观行为的多尺度研究,探明裂变产物的微观行为机制。

  4)核燃料包壳相互作用研究:由于包壳面临核燃料芯体外部形成氧化层,包壳内壁受到裂变气体压力、腐蚀和燃料肿胀等包壳与芯块的相互作用等危害,任其发展可导致包壳破损,引起安全问题,因此需要开展相关研究,探索解决方案。

  2、核燃料材料的模型和表征

  1)核燃料熔点研究:利用激光加热手段来研究不同组分对核燃料熔点的影响;用量热法研究各种非化学计量比的燃料样品的熔点;利用仿真模拟方法从原子尺度计算不同组分对材料熔点的影响。

  2)辐射缺陷和原子输运:综合利用各类表征手段,如量热法、电导率测试、拉曼光谱等,研究各种非化学计量比核燃料材料辐照点缺陷形成和扩散机理研究;利用仿真模拟方法从原子尺度计算不同组分对材料辐射缺陷形成的影响。通过热量测试,研究辐照增强扩散效应的研究。

  3)裂变产物研究:通过热量测试,对不同组分核燃料裂变产物的辐照增强扩散行为进行研究;开发相关的仿真模型研究裂变产物的热力学行为。

  4)机械特性研究:开发相关仿真模型,从原子尺度研究辐照肿胀和蠕变对材料机械性能的影响,并开展相关的实验研究。

  3、先进核燃料材料开发

  1)氧化物核燃料:开发新工艺,通过组分调控优化进而实现对微结构的调控,制备高性能的钚铀混合氧化物核燃料,提高资源的利用率,解决核燃料资源不足的问题。

  2)新型燃料开发:开发新型的氮化、碳化铀系核燃料,并通过完整的物理、化学、机械等测试手段对新材料性能进行全面的表征。研究新燃料与包壳和冷却剂之间的相互作用。开发热化学模型,研究核燃料氧化机制。关注盐融反应堆,开发新型的熔盐以更有效地加载核燃料和发挥冷却效果。                                     (郭楷模)

  

 

  


 

  

[1] EERA JP Nuclear Materials publishes its Strategic Research Agenda. https://www.eera-set.eu/press-release-eera-jp-nuclear-materials-publishes-its-strategic-research-agenda/

原文始发于:欧洲能源研究联盟发布核能材料战略研究议程

 

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