大型球铁核乏燃料储运容器铸件非平衡凝固与结晶的物理模拟

我国大亚湾、秦山等核电站及第一代核潜艇的核燃料已到退役期，核乏燃料的储存运输及后处理迫在眉睫。核乏燃料的储存运输及后处理是保证核安全、防止环境污染的重中之重。大型球铁核乏燃料容器铸件的制备已写进国家发改委国内外大型铸锻件发展研究报告之中。 因此，开展核乏燃料储运容器铸件制备的基础理论研究具有十分重要的意义。以"大型球铁核乏燃料储运容器铸件非平衡凝固与结晶的物理模拟"为命题开展创新性研究：探索实体铸件切块非自然表面加热控制的物理模拟试验新方法及物理模拟技术；设计物理模拟装置，研究新的铸型材料、表面涂挂材料、铸型填充材料及新的强制冷却介质，建立厚大断面球铁强制冷却及非平衡凝固理论；测试不同造型材料和强制冷却介质下容器铸件不同等温面的化学成分、组织及力学性能的变化规律，掌握容器铸件结晶组织的形成规律，建立容器铸件的非平衡结晶理论，完成大型球铁核乏燃料储运容器铸件制备的基础理论研究。

随着我国核电、核能事业的迅速发展，核乏燃料储存运输的安全可靠至关重要，以确保和提高核乏燃料储运容器安全性和可靠性为主要目的基础研究已是刻不容缓的课题。本项目按项目任务书计划进行，取得了较好的成绩。.在保证物理过程相似和几何相似的条件下，提出了一种新的适用于具有轴对称特点的厚大断面球铁件的物理模拟方法，设计了一套包括控制系统的乏燃料储运容器铸件生产模拟试验装置，该装置内外铸型可更换，可实现对乏燃料储运容器铸件不同生产工艺参数的模拟和优化，经模拟试验验证表明，试验装置可靠性强，可用于核乏燃料容器铸件的基础研究。通过对核乏燃料容器铸件传热过程的理论计算发现，高度和壁厚一定的一类圆筒形铸件，存在一个内径使用整体铸铁冷铁作型芯、不需要内部强制冷却的最小临界内径Dmin，经计算QN-X型球铁容器铸件，必须对内型芯进行强制冷却。利用ProCast商业化软件对QN-X型容器铸件内型芯不同强制冷却工艺下的凝固温度场进行了模拟，优化了强制冷却工艺。利用物理模拟对计算机模拟确定的强制冷却工艺方案进行了验证，表明计算机模拟确定的强制冷却工艺方案能够满足要求。.利用球化铁水在高温和共晶温度分段等温保持的方法探讨了Y-Mg-Si球化剂、Ce-Mg-Si球化剂和轻重稀土混合球化剂的抗衰退能力，指出：Y-Mg-Si球化剂的抗衰退能力优于Ce-Mg-Si球化剂，轻重稀土混合球化剂更接近于Y-Mg-Si球化剂，厚大断面球铁生产中可以采用轻重稀土混合球化剂。利用自行研制的铁水连续测氧探头，探讨了分段等温保持过程、物理模拟试块凝固过程O活度与凝固时间的关系，考察了RE、Mg、S含量与凝固时间的关系，探讨了球化衰退及石墨畸变形成原因及机理。.利用自行研制的喷粉设备进行了铁水净化工艺研究，采用CaO脱硫剂经喷粉处理，脱硫率可达70~75%，同时脱氧率可达50%左右，获得了适合于厚大断面球铁生产的低硫、低氧的纯净铁水。采用本项目开发的脱硫脱氧净化工艺，物理模拟确定的化学成分、球化孕育处理工艺、强制冷却工艺，进行了2/7高容器铸件的试生产，通过对铸件的解剖分析表明，生产出的QN-X型核乏燃料2/7高容器铸件常温和-40℃机械性能指标达到或超过技术标准要求，制定的工艺是合理的。.本项目执行期间，发表学术论文5篇，SCI收录1篇、EI收录5篇，参加国际国内学术交流7次，申请国家发明专利1项，培养研研究生6名。