【摘 要】
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随着能源危机的不断加剧和人类生活需求的日益增长,对核电等清洁能源的需求日益迫切。核燃料在核反应堆中产生热量,通过加热燃料棒包壳外的水,产生的蒸汽推动汽轮发电机进行发电。燃料棒包壳作为核反应堆的重要构成部分,其在高温高压环境中的换热性能和结构稳定性,是核反应堆安全稳定运行的关键。目前,锆合金是应用最为广泛的核燃料包壳材料,但锆合金包壳材料仍面临腐蚀、氢脆及传热性能恶化等问题。对锆合金进行表面处理,是
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随着能源危机的不断加剧和人类生活需求的日益增长,对核电等清洁能源的需求日益迫切。核燃料在核反应堆中产生热量,通过加热燃料棒包壳外的水,产生的蒸汽推动汽轮发电机进行发电。燃料棒包壳作为核反应堆的重要构成部分,其在高温高压环境中的换热性能和结构稳定性,是核反应堆安全稳定运行的关键。目前,锆合金是应用最为广泛的核燃料包壳材料,但锆合金包壳材料仍面临腐蚀、氢脆及传热性能恶化等问题。对锆合金进行表面处理,是一种提高锆合金性能的方法。尤其是,若能在锆合金表面形成一种亲水特性的镀层,可望提高包壳层的吸水能力,防止包壳表面形成气膜,引起的膜态沸腾,这对于防止包壳传热恶化引起爆炸等安全事故具有十分重要的意义。为提升核反应堆燃料棒包壳材料的换热性能,本文采用电化学方法,分别在不锈钢和锆合金基底合成了“凹”形铬镀层和微米颗粒铬镀层。并使用扫描电子显微镜、X射线衍射、接触角分析仪等手段,对其表面形貌、结构、润湿性能等进行表征,并研究了润湿性能较好、比表面积较大的样品的传热性能,对两种铬镀层表面与光滑表面的传热性能进行了对比研究,分析了镀层提升传热性能的原因。主要研究结果如下:（1）采用电镀技术,在电流密度为5 A dm-2的条件下,于不锈钢基底表面生长铬涂层,发现电镀2 h的样品具有最优良的外观和最为平整的微观形貌,此时铬镀层厚度为37μm;对电镀2 h铬镀层的样品进行阳极氧化,最后在不锈钢表面形成了“凹”型铬镀层,其孔径约7.4μm,接触角为41.8°,与基底相比接触角降低约20°。（2）采用自主设计的微通道流动沸腾实验测试系统,对“凹”型铬镀层表面和原始表面进行传热性能检测。结果表明,在质量流速为33.3 kg m-2s-1、50 kg m-2s-1,进口温度为40℃的条件下,“凹”型铬镀层表面对不锈钢传热系数的提升分别为22.84%、21.28%。传热系数的提高,源于该凹型结构增强了润湿性和增大了比表面积,提供了更多汽化核心位点。通过对其压力和压降波动分析表明,“凹”型铬镀层能够有效降低微通道中的压降波动。（3）采用电化学法在锆合金表面制备了铬微米颗粒涂层,研究了不同电流密度对涂层形貌的影响,发现不同电流密度下铬涂层形貌均为颗粒状。当电流密度较大时,铬微米颗粒涂层分布均匀并且颗粒密度较大,颗粒直径约为3.6μm;当电流密度较小时,铬微米颗粒涂层较为稀疏,使大面积锆合金基底暴露于空气中,可能是由于电流密度太小出现了漏镀的现象,此时颗粒直径约为6.1μm。（4）对电流密度为5 A dm-2条件制备的润湿性能较好的、比表面积较大的样品进行传热性能检测。在质量流速为33.3 kg m-2s-1、水的进口温度为60℃条件下,铬微米颗粒表面可使两相换热效率提升14.5%。铬镀层表面增强换热性能,源于其独特的粗糙结构增加了比表面积、改善了与流体的表面润湿性。本文采用简单的电化学方法在不锈钢和锆合金表面上合成了两种不同形貌的铬镀层,并发现镀层确实能提高传热性能。这些研究结果对提升包壳材料的传热性能,以及包壳材料在核反应堆方面的应用有着重要的参考价值。
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