《失水事故條件下鋯合金包殼材料性能評估方法第1部分：淬火后殘余塑性評估》編制說明（征求意見稿）一、工作簡況1、任務(wù)來源本標(biāo)準由中國原子能科學(xué)研究院牽頭編制，起草單位包括：中國原子能科學(xué)研究院、上海核工程研究設(shè)計院有限公司、中國核動力研究設(shè)計院、國家電投集團科學(xué)技術(shù)研究院有限公司、中廣核研究院有限公司、蘇州熱工研究院有限公司、中國核電工程有限公司、生態(tài)環(huán)境部核與輻射安全中心、國核寶鈦鋯業(yè)股份公司、西部新鋯核材料科技有限公司。本標(biāo)準（項目號CNEA-645）于2023年3月17日中國核能行業(yè)協(xié)會團體標(biāo)準立項評審會議（會議紀要T/CNEA-HYJY-2023-10）立項通過，計劃2024年3月31日完成。牽頭單位中國原子能科學(xué)研究院于2023年11月與中國核能行業(yè)協(xié)會簽訂該團體標(biāo)準的制修訂專項技術(shù)服務(wù)合同。2、主要工作過程本標(biāo)準的制定過程主要分為前期標(biāo)準化研究、初稿編寫階段、征求意見稿編寫階段。2.1前期標(biāo)準化研究（2018年8月-2020年12月）自2013年以來，由中國原子能科學(xué)研究院、蘇州熱工研究院有限公司及國家電投集團科學(xué)技術(shù)研究院有限公司等單位承擔(dān)了由國內(nèi)三大核電集團研發(fā)、兩家鋯材生產(chǎn)廠生產(chǎn)的國產(chǎn)新鋯合金在失水事故（LOCA）條件下的性能評估。針對能源行業(yè)標(biāo)準NB/T20261-2014《壓水堆核電廠應(yīng)急堆芯冷卻系統(tǒng)設(shè)計準則》中規(guī)定的一定事故條件下冷卻性能需滿足的包殼最高溫度、最大氧化程度及保持可冷卻幾何形狀的要求，缺乏對鋯合金包殼性能評估試驗的標(biāo)準。因此，2018年到2020年，由中國原子能科學(xué)研究院牽頭國內(nèi)三大核電集團相關(guān)設(shè)計院、研究院及鋯材生產(chǎn)廠多家單位開展了能源標(biāo)準化研究項目《失水事故下鋯合金包殼淬火后殘余塑性評估方法的標(biāo)準研究》。主要研究內(nèi)容包括：（1）調(diào)研國內(nèi)外關(guān)于失水事故條件下鋯合金包殼淬火后殘余塑性評估方法，整理試驗參數(shù)、試驗流程、試驗裝置及重要影響因素。（2）試驗參數(shù)評估：主要參照NRC待批版監(jiān)管導(dǎo)RG1.223“DeterminingPostQuenchDuctility”對鋯合金LOCA殘余塑性試驗中的升降溫速率、蒸汽流速、環(huán)壓樣品長度、端面效應(yīng)、環(huán)壓溫度、下壓速率及預(yù)氫工藝等參數(shù)進行試驗研究，評估其對試驗結(jié)果的影響。（3）試驗裝置與流程評估：采用定型的同種材料、相同的試驗參數(shù)，及擬標(biāo)準化的試驗流程，在不同的裝置上進行試驗，比較試驗結(jié)果的一致性，同時也與文獻數(shù)據(jù)進行對比，評估擬定的標(biāo)準化試驗方法是否具備標(biāo)準化特征。（4）通過環(huán)壓試驗建立永久（真）應(yīng)變-補償應(yīng)變關(guān)系，并評估是否受環(huán)壓裝置的影響。2020年12月15日，該標(biāo)準研究項目通過評審驗收，驗收意見認為該研究成果內(nèi)容翔實、技術(shù)全面，對失水事故下鋯合金包殼淬火后殘余塑性評估方法的標(biāo)準制定具有重要指導(dǎo)意義。2.2初稿編寫階段（2021年1月-2023年3月）在完成標(biāo)準化研究項目《失水事故下鋯合金包殼淬火后殘余塑性評估方法的標(biāo)準研究》后，研究團隊在參考NRC-RG1.223的基礎(chǔ)上，吸收了標(biāo)準化研究項目成果，針對NRC導(dǎo)則草案的不明確或不合理之處，如CP-ECR的計算、蒸汽流速、淬火前降溫速率及鋯管尺寸因素對性能的影響等描述進行了優(yōu)化，自主建立了不同于NRC的、更科學(xué)合理的環(huán)向壓縮偏移應(yīng)變-永久應(yīng)變關(guān)系，優(yōu)化了殘余塑性的偏移應(yīng)變判據(jù)，從而編制完成了具有顯著自主知識產(chǎn)權(quán)的本標(biāo)準初稿。2021年11月24日，成果《失水事故下鋯合金包殼淬火后殘余塑性評估方法與標(biāo)準》被簽定為“總體技術(shù)屬國內(nèi)首創(chuàng)，達到國際先進水平”。2.3征求意見稿編寫階段（2023年3月-2023年11月）在2023年3月17日本標(biāo)準由中國核能行業(yè)協(xié)會團體標(biāo)準評審立項后，主要針對評審意見，進行了修改：增加了示意圖以方便文字理解，比如如何測量永久應(yīng)變與偏移應(yīng)變；按中國核能行業(yè)協(xié)會團體標(biāo)準編寫要求規(guī)范了格式；調(diào)整了參編單位與人員使得標(biāo)準更具行業(yè)代表性。2023年11月16日完成修改，形成征求意見稿。3、主要參加單位和工作組成員及其所作的工作等共有十家參編單位，由中國原子能科學(xué)研究院主編。中國原子能科學(xué)研究院、蘇州熱工研究院有限公司、國家電投集團科學(xué)技術(shù)研究院有限公司基于具體開展的失水事故下鋯合金包殼淬火后殘余塑性試驗，為標(biāo)準中試驗方法描述提供了內(nèi)容或修改意見。上海核工程研究設(shè)計院有限公司、中廣核研究院有限公司、中國核動力研究設(shè)計院、中國核電工程有限公司作為反應(yīng)堆、堆芯或燃料組件設(shè)計方，從設(shè)計要求的角度對標(biāo)準撰寫提供了意見。國核寶鈦鋯業(yè)股份公司、西部新鋯核材料科技有限公司從鋯合金包殼生產(chǎn)的角度對標(biāo)準撰寫提供了意見。生態(tài)環(huán)境部核與輻射安全中心從燃料組件安全評審的角度對標(biāo)準撰寫提供了意見。二、標(biāo)準編制原則和主要內(nèi)容1、標(biāo)準編制原則本標(biāo)準的編制符合核電行業(yè)設(shè)備可靠性評價方法發(fā)展的原則，本著先進性、科學(xué)性、合理性和可操作性的原則以及標(biāo)準的目標(biāo)、統(tǒng)一性、協(xié)調(diào)性、實用性、一致性和規(guī)范性原則來進行本標(biāo)準的制定工作。（1）科學(xué)性本標(biāo)準編制前，首先開展了標(biāo)準化研究項目《失水事故下鋯合金包殼淬火后殘余塑性評估方法的標(biāo)準研究》，通過試驗研究，驗證NRC導(dǎo)則草案的試驗方法與參數(shù)的同時，從科學(xué)原理上澄清了所參考NRC導(dǎo)則草案的不明確或不合理之處，為編制本自主標(biāo)準提供了科學(xué)基礎(chǔ)。（2）實用性本標(biāo)準的具體內(nèi)容均來源于對國內(nèi)三大核電集團自主新鋯合金事故性能評估試驗，同時，標(biāo)準的編制已經(jīng)在一定程度上指導(dǎo)了這些持續(xù)10年、不同廠家、不同牌號與批次鋯合金的性能評估，使評估結(jié)果逐漸規(guī)范化、具有可比較性，并為后續(xù)試驗提供了標(biāo)準。2、標(biāo)準主要內(nèi)容的依據(jù)遵從GB/T1.1-2020的要求，本標(biāo)準的章節(jié)內(nèi)容為：前言，介紹了本標(biāo)準所屬的《失水事故條件下鋯合金包殼材料性能評估方法》系列標(biāo)準中各部分的名稱。列出了本標(biāo)準起草單位與起草人。引言，介紹了系列標(biāo)準5部分各自的編制目的。范圍，給出了本標(biāo)準內(nèi)容范圍與適用范圍。規(guī)范性引用文件，給出了本標(biāo)準通過文中的規(guī)范性引用而構(gòu)成本文件必不可少的條款，主要包括一項能源行業(yè)標(biāo)準。術(shù)語和定義，主要規(guī)定了ECR、CP-ECR、永久應(yīng)變與偏移應(yīng)變的定義。淬火后殘余塑性評估方法概述，整體介紹了該評估標(biāo)準的目的與流程。殘余后塑性試驗程序，針對評估水冷反應(yīng)堆的鋯合金燃料包殼在失水事故下的淬火后殘余塑性，規(guī)定了模擬試驗方法、試驗參數(shù)要求及塑性判據(jù)，具體包括：樣品的材料類別、測氫方法、尺寸規(guī)定與測量、氧化溫度與時間、升降溫速率、淬火溫度、溫度控制與測量、蒸汽流量與壓力、環(huán)向壓縮溫度、下壓速率、殘余塑性數(shù)據(jù)獲得及塑性判據(jù)等。3、解決的主要問題鋯合金包殼材料在事故工況下的性能與在正常工況下的各項性能一樣，都是鋯合金材料研發(fā)、燃料及反應(yīng)堆設(shè)計的重要依據(jù)。并且能源行業(yè)標(biāo)準NB/T20261-2014《壓水堆核電廠應(yīng)急堆芯冷卻系統(tǒng)設(shè)計準則》中明確規(guī)定了一定事故條件下的冷卻性能需滿足的包殼最高溫度、最大氧化程度及保持可冷卻幾何形狀的要求，但如何判斷某種鋯合金包殼在此工況下能否保持可冷卻的幾何形狀，國內(nèi)外一直缺乏方便可行的性能評估試驗標(biāo)準。2016年美國核管會（NRC）發(fā)布的RG-1.223《淬火后殘余塑性試驗方法》導(dǎo)則草案是目前國際上包括我國比較公認的試驗標(biāo)準，但一直處于待審批狀態(tài)，經(jīng)本團隊標(biāo)準化研究，認為其內(nèi)容也并不完善。因此，本標(biāo)準的制定將解決上述需求，針對失水事故條件下鋯包殼峰值溫度及最大氧化率設(shè)計條件下，堆芯必須能保持可冷卻的幾何形狀這一設(shè)計準則，給出可接受的具有可重復(fù)性和定量的包殼材料性能評估方法，為鋯合金包殼提供一種通過測量鋯合金包殼材料淬火后塑性來判斷材料韌脆轉(zhuǎn)變的試驗技術(shù)與判據(jù)，并且具備自主知識產(chǎn)權(quán)。三、主要試驗（或驗證）情況開展了如下試驗：（1）試驗參數(shù)評估：參照NRC-RG1.223，對鋯合金LOCA殘余塑性試驗中的升降溫速率、蒸汽流速、環(huán)壓樣品長度、端面效應(yīng)、環(huán)壓溫度及下壓速率等參數(shù)進行試驗研究，評估其對試驗結(jié)果的影響。（2）試驗裝置與流程評估：采用定型的同種材料、相同的試驗參數(shù)，及擬標(biāo)準化的試驗流程，在不同的裝置上進行試驗，比較試驗結(jié)果的一致性，同時也與文獻數(shù)據(jù)進行對比，評估擬定的標(biāo)準化試驗方法是否具備標(biāo)準化特征。（3）永久應(yīng)變與偏移應(yīng)變關(guān)系試驗：通過環(huán)壓試驗建立永久（真）應(yīng)變-偏移應(yīng)變關(guān)系，并評估這種關(guān)系是否受環(huán)壓裝置的影響。通過上述試驗，獲得如下結(jié)論支撐本標(biāo)準編制：（1）模擬LOCA氧化淬火可采用輻射加熱、樣品在普通電阻爐中快速移動、電加熱及感應(yīng)加熱等多種方式，只要其升溫速率、保溫及降溫控制滿足模擬LOCA工況，并且鋯包殼高溫蒸汽氧化動力學(xué)符合CP公式，試驗參數(shù)標(biāo)準化即可。（2）淬火后鋯包殼樣品可采用環(huán)向壓縮這種較簡便的力學(xué)試驗方法來評估其殘余塑性，但試驗參數(shù)應(yīng)標(biāo)準化。（3）美國NRC-RG1.223“DeterminingPostQuenchDuctility”（《淬火后殘余塑性試驗方法》）提供的LOCA殘余塑性試驗方法與大部分參數(shù)被自主試驗裝置及材料驗證，具有普適性、可移植性，可作為制定試驗標(biāo)準的基礎(chǔ)。（4）NRC-RG1.223規(guī)定的試驗參數(shù)中，升溫速率、氧化樣品長度、端面效應(yīng)、環(huán)壓溫度及下壓速率等可直接翻譯使用。（5）以下試驗參數(shù)應(yīng)在NRC-RG1.223的基礎(chǔ)上根據(jù)本團隊試驗結(jié)果修訂或補充：1）縮小蒸汽流速范圍可以改善控溫性；2）修訂對淬火前降溫速率的規(guī)定；3）補充對鋯管尺寸規(guī)格的規(guī)定；4）優(yōu)化殘余塑性的偏移應(yīng)變判據(jù)。四、標(biāo)準中涉及專利的情況本標(biāo)準不涉及專利問題。五、預(yù)期達到的社會效益、對產(chǎn)業(yè)發(fā)展的作用等情況預(yù)計通過本標(biāo)準，將支持燃料元件廠及核電廠對鋯合金包殼的性能驗收及運行評估，有利于自主知識產(chǎn)權(quán)鋯合金包殼的研發(fā)與生產(chǎn)。六、與國際、國外對比情況本標(biāo)準是在對美國NRC導(dǎo)則草案RG1.223“DeterminingPostQuenchDuctility”（《淬火后殘余塑性試驗方法》）進行試驗驗證后，在部分采標(biāo)的基礎(chǔ)上進行了修訂或補充。國內(nèi)之前無此相關(guān)標(biāo)準，本標(biāo)準編制未國內(nèi)首創(chuàng)。本標(biāo)準內(nèi)容隨著國內(nèi)外更多試驗的開展與認識水平的提高，仍有發(fā)展改進空間。七、在標(biāo)準體系中的位置，與現(xiàn)行相關(guān)法律、法規(guī)、規(guī)章及標(biāo)準，特別是強制性標(biāo)準的協(xié)調(diào)性本標(biāo)準為能源行業(yè)標(biāo)準NB/T20261-2014《壓水堆核電廠應(yīng)急堆芯冷卻系統(tǒng)設(shè)計準則》提供具體的性能評估方法，與該標(biāo)準協(xié)調(diào)一致。八、重大分歧意見的處理經(jīng)過和依據(jù)無。九、標(biāo)準性質(zhì)的建議說明建議本標(biāo)準的性質(zhì)為團體標(biāo)準。該標(biāo)準所涉及技術(shù)內(nèi)容仍在發(fā)展中，所參考美國NRC導(dǎo)則草案RG1.223也尚未正式批準，但國產(chǎn)新鋯合金的研發(fā)又急需該標(biāo)準支持其事故性能評估，因此首先作為團體標(biāo)準供國內(nèi)相關(guān)設(shè)計、制造、試驗與安審單位參考使用是合適的。十、貫徹標(biāo)準的要求和措施建議標(biāo)準發(fā)布后，中國原子能科學(xué)研究院等參編單位將配合中國核能行業(yè)