核反應堆結構與材料材料

1、2022-4-281核反應堆中對材料的一般性要求 通用要求 機械強度，抗腐蝕性，可加工性，導熱性能 反應堆內(nèi)要求 抗輻照性能 與中子相互作用2022-4-282核反應堆相關材料 按照功用可大致分為： 核燃料材料提供核裂變 慢化劑材料熱中子反應堆必須 冷卻劑材料帶走所產(chǎn)生的熱能 結構材料實現(xiàn)功能性 控制材料控制核反應堆2022-4-283一、材料的輻照效應 反應堆中的輻射來源 帶電粒子（、射線，來自于衰變過程） 中子（來源于裂變和中子核反應） 射線（來源于裂變、衰變等） 裂變碎片（裂變反應）輻照效應是特定物質(zhì)在特定輻照條件下的效應2022-4-284 輻照效應之帶電粒子 作用類型： 電離和激發(fā)（

2、碰撞損失過程，速度不太高粒子） 軔致輻射（輻射損能過程，高速粒子） 射線特點: 射程最短（比較射線和射線） 射線特點： 射程較短（相較射線）2022-4-285 輻照效應之射線 射線特點： 射程較長（相較射線） 作用形式復雜：光電效應；康普頓-吳有訓散射效應和電子對效應 與物質(zhì)相互作用機理：共價鍵化合物，離子鍵化合物及金屬鍵2022-4-286 輻照效應之中子(1) 中子與物質(zhì)相互作用類型： 彈性碰撞，非彈性碰撞，輻射俘獲，放出帶電粒子反應（n,p)，放出幾個中子的反應（高能中子反應），裂變反應 中子輻照損傷原理 位移能，原子-空穴 中子與物質(zhì)相互作用特點（快中子）2022-4-287 輻照效

3、應之中子(2)2022-4-288 輻照效應之中子(3) 輻照損傷程度與材料及輻照溫度有關 中子輻照損傷通常產(chǎn)生脆化效應，即硬度增加，延性下降 輻照腫脹及定向生長（反應堆內(nèi)效應） 提高輻照溫度可減輕損傷，即“退火”效應2022-4-289 輻照效應之裂變碎片 裂變碎片本身不屬于輻射效應范疇 裂變碎片可在裂變區(qū)域附近產(chǎn)生近似快中子的“輻照效應”，即形成核燃料內(nèi)原子位移 雜化效應及腫脹效應（兩種效應）2022-4-2810二、核燃料反應堆中使用的裂變物質(zhì)及可轉換物質(zhì)的統(tǒng)稱主要指U，Pu易裂變同位素其功用主要用來產(chǎn)生裂變并放出裂變能量核燃料其功用主要用來產(chǎn)生裂變并放出裂變能量2022-4-2811良

4、好的熱物性，例如熱導率高抗輻照能力強，燃耗深燃料的化學穩(wěn)定性好，燃料與包殼、冷卻劑的相容性好核燃料的一般性要求熔點高，且在低于熔點時不發(fā)生有害相變機械性能好，易于加工2022-4-2812核燃料的存在形態(tài) 液態(tài) 固態(tài) 金屬，陶瓷，彌散體型核心核心包覆顆粒包覆顆粒燃料元件燃料元件2022-4-2813金屬型燃料（1）金屬型燃料的類型p主要包括金屬鈾及鈾合金金屬鈾的物理化學性質(zhì)p銀灰色金屬，密度高(18.6),熱導率高,工藝性能好,熔點1133 ,沸點3600 （優(yōu)點）p化學活性強，與大多數(shù)非金屬反應(缺點)p、相的轉變溫度662，7722022-4-2814金屬型燃料（2）金屬鈾的工作條件限制p

5、由于相變限制，只能低于665p輻照長大，定向長大限制低溫工作環(huán)境p輻照腫脹現(xiàn)象，較高溫度條件下的金屬燃料變形適宜用于生產(chǎn)堆(堆芯溫度較低，中子注量率不太高)2022-4-2815金屬型燃料（4） 合金鈾的相關說明p主要合金形式有鈾與鋯、鉻、鉬、鈮、鋁等p與金屬鈾相比，合金具有較好的機械性能、良好的抗腐蝕性能，對抗輻射性能有所改善p加入合金元素會使中子吸收增加，需使用富集鈾p鋯的熔點高，中子吸收截面小，抗輻射性能好，同時鈾在鋯中的溶解度大（鈾鋯合金 ）p熔點高，熱導率高，便于軋制成型p鈾鋯2在高燃耗情況下輻照穩(wěn)定性不好（西平港）p美國鈾鋯钚合金 可用于快中子增殖2022-4-2816金屬型燃料的

6、性能對比表2022-4-2817陶瓷型燃料p 陶瓷燃料是指鈾、钚、釷的氧化物、碳化物和氮化物p 常見的陶瓷燃料有UO2，PuO2，UC，UNp 陶瓷型燃料主要用來解決金屬或合金型燃料工作溫度限制（相變及腫脹效應）p 無同素異形體，只有一種結晶形態(tài)（面心立方），各向同性，燃耗深p 熔點高；未經(jīng)輻照的測定值280515p 具有與高溫水、鈉等的良好相容性，耐腐蝕能力好p 與包殼相容性良好陶瓷型核燃料優(yōu)點UO22022-4-2818陶瓷型核燃料缺點UO2 二氧化鈾的導熱性能較差，熱導率低 傳熱負荷一定時，燃料徑向溫度梯度大 在熱梯度或熱震作用下可能導致脆化2022-4-2819陶瓷型核燃料-UO2的輻

7、照效應 陶瓷型核燃料早期會出現(xiàn)密實化效應 可能導致塌陷 線功率密度增加，芯塊溫度升高 芯塊縮小，氣體間隙變大，導熱性能下降，溫度升高 長期運行可能引起的裂變氣體釋放和腫脹效應 臨界燃耗主要與燃料自身密度相關2022-4-2820二氧化鈾的典型物性（1） 密度 理論密度10.98g/cm3 振動密實密度：大約為理論密度的82-91% 燒結二氧化鈾燃料芯塊密度約為理論密度的88-98% 一般取95% 熱導率 與溫度、燃料密度（孔隙率）、燃耗、氧鈾比等有關 熱導率計算67t)exp(0.0018101.216t46440.4K49567t)exp(0.0018101.2160.0191K495100

8、pK11K2022-4-2821二氧化鈾的典型物性（2） 熱導率（續(xù)）p燃耗對熱導率的影響p低溫時隨燃耗升高熱導率下降p高溫時變化不大p熱導率隨氧鈾比增加而減小2022-4-2822二氧化鈾的典型物性（3）p 比熱性能p 二氧化鈾比熱可表示為溫度函數(shù)，如：262p273.15)/(t106t102.51304.38c4103623pt101.59t101.12t102.712.789t712.25c122625t28001226t單位J/(kg)2022-4-2823二氧化鈾的制備 制備流程： 氣象UF6 水解 與稀氨水溶液反應 重鈾酸銨沉淀 煅燒 UO3 還原 UO2 生坯 燒結芯塊2022

9、-4-2824其他陶瓷型燃料性質(zhì) 二氧化鈾是目前水冷反應堆廣泛使用的燃料 陶瓷混合物是常用的快堆燃料 混合氧化物（UO2+PuO2） 混合碳化物（UC+PuC） 混合氮化物（UN+PuN）2022-4-2825混合物燃料性質(zhì)比較 混合氧化物 熔點高 輻射穩(wěn)定性好 與冷卻劑、包殼相容性好p 金屬原子密度低p 快堆中氧有慢化作用p 熱導率低p 深度燃耗腫脹 碳化物（U） 高溫化學穩(wěn)定性好 熱導率高 理論密度大 金屬原子數(shù)密度大，中子效率高，增殖比大，倍增時間少 易于與水反應 高溫條件下腫脹 氮化物（U）抗輻照能力好抗高溫蠕變強熱導率高含U密度最高增殖比大與包殼相容性好腫脹較弱p高溫易分解pN對中子

10、吸收2022-4-2826典型陶瓷燃料性能2022-4-2827彌散體型燃料 彌散型燃料是由二氧化鈾或碳化鈾等陶瓷燃料顆粒，依照所需的物理性質(zhì)彌散在金屬、非金屬或陶瓷基體上所組成的燃料型式。 例如Al，不銹鋼，Zr，石墨等基體核心核心包覆顆粒包覆顆粒燃料元件燃料元件2022-4-2828彌散體型燃料彌散相要求高濃縮性強度好在加工及運行環(huán)境下，與基體相容性好非裂變中子吸收截面低抗輻照性能好2022-4-2829彌散體型燃料基體相要求運行范圍內(nèi)有足夠的蠕變強度和韌性中子吸收截面低，抗輻照能力強熱導率高熱膨脹系數(shù)低，并與燃料的膨脹性能相似與冷卻劑材料的相容性好在使用和加工溫度條件下，不析出新相202

11、2-4-2830彌散體型燃料特點 陶瓷燃料顆粒的尺寸與顆粒之間的間距均遠大于裂變產(chǎn)物的射程，燃耗可以比較深； 燃料和冷卻劑之間基本沒有相互作用問題，減少了冷卻劑回路被污染的可能性； 燃料與基體的性質(zhì)相似，因此導熱、輻照及耐輻射性能好，強度和延性好，能承受熱應力 缺點：基體份額大，高富集度燃料顆粒2022-4-2831核燃料的應用2022-4-2832核反應堆相關材料 按照功用可大致分為： 核燃料材料提供核裂變 慢化劑材料熱中子反應堆必須 冷卻劑材料帶走所產(chǎn)生的熱能 結構材料實現(xiàn)功能性 控制材料控制核反應堆2022-4-2833一、材料的輻照效應 反應堆中的輻射來源 帶電粒子（、射線，來自于衰變過程） 中子（來源于裂變和中子核反應） 射線（來源于裂變、衰變等） 裂變碎片（裂變反應）輻照效應是特定物質(zhì)在特定輻照條件下的效應2022-4-2834 輻照效應之射線 射線特點： 射程較長（相較射線） 作用形式復雜：光電效應；康普頓-吳有訓散射效應和電子對效應 與物質(zhì)相互作用機理：共價鍵化合物，離子鍵化合物及金屬鍵2022-4-2835核燃料的存在形態(tài) 液態(tài) 固態(tài) 金屬，陶瓷，彌散體型核心核心包覆顆粒包覆顆粒燃料元件燃料元件2022-4-2836陶瓷型核燃料-UO2的輻照效應 陶瓷型核燃料早期會出現(xiàn)密實化效應 可能導致塌陷 線功率密度增加，芯塊溫度升高 芯塊縮小，氣體間隙變大，導熱性能