第3讲 核燃料

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1、核燃料核燃料的分类和特征UO2作为压水堆核燃料的堆内行为概述动力堆对于固体燃料的主要要求：(1)良好的核裂变性能维持链式反应(2)良好的热导率传热效率高、安全(3)高熔点可承受高运行温度、安全(4)化学稳定性与冷却剂及包壳材料良好的相容性。(5)足够的力学性能、晶型稳定、抗辐照工作中不破损主要的核燃料：可裂变(需高能中子)易裂变天然材料U-238,Th-232U-235转换材料Pu-239,U-2332核燃料的分类固体燃料金属型、陶瓷型、弥散型燃料目前常用核燃料，根据堆型不同形式不同液体燃料溶液(或悬浮液)、液态金属和熔盐其设计特点是：将燃料、冷却剂和慢化

2、剂溶合在一起，在早期反应堆发展初期被研究，未发展为实用动力燃料。3固体核燃料金属型直接使用纯铀金属导热性好，但使用温度低于450oC，主要用于实验堆、英国气冷堆陶瓷型氧化物陶瓷、碳化物陶瓷陶瓷型燃料多为氧化物(如最常见的二氧化铀UO2)、碳化物UC、氮化物UN等，它们具有高的工作温度，但密度低、导热性能差、易脆化，一般来说，与与冷却剂及包壳材料的相容性好。弥散型燃料将燃料颗粒弥散分布在导热性好的基体中目的：改善燃料性能，克服陶瓷型燃料的导热和延性不足方法：(1)将陶瓷燃料(UO2)粉末或金属间化合物粉末等弥散在金属基体内，或(2)用热解碳和碳化硅包覆氧化物或碳化物

3、的涂层颗粒燃料，再将这些颗粒燃料弥散在石墨体内用途：作为高温堆燃料，如高温气冷堆的燃料4金属型燃料纯金属铀铀是一种致密的、具有中等硬度的银白色金属，熔点1133℃，在熔点以下有三种同素异构体优点：密度高（>18g/cm3），导热率高（相对于UO2），工艺性能好，易于加工成型缺点：相变、各向异性、辐照肿胀、化学稳定性差铀合金为了改善纯铀的特性g相合金：U-Zr,U-Mo,U-Nb,快冷得到立方g相a相合金：保持a结构并具有细小而混乱的晶粒组织，抗辐照，典型合金有U-1.5%Nb-5%Zr、U-2%Zr、U-0.3%Cr、U-1.5%Mo等。金属间化合物：U3Si是具有一

4、定压缩延性的金属间化合物，其耐蚀性远高于金属铀，在燃料芯块中心予留孔洞就可以适应大多数情况下辐照引起的尺寸变化。5纯铀金属的物理性能6弥散型核燃料弥散型燃料是将UO2或UC等陶瓷核燃料颗粒均匀地和非裂变基体材料(金属、非金属或陶瓷)混合后，经粉末冶金法压制后烧结而成。基体特性要求：中子吸收截面小，抗辐照能力强；导热率高，热膨胀系数低，并与燃料颗粒的热膨胀系数相当；在运行温度范围内无相变，并应有足够的蠕变强度和韧性；对燃料、燃料包壳和冷却剂的相容性好。可作为基体相的材料:(PWR常用Zr－2)金属材料铝、锆、钼和不锈钢等；非金属和陶瓷材料如石墨、氧化铝、二氧化锆等。7弥散

5、型燃料的特点弥散型核燃料成本较低，物理和机械性能较好，燃耗也较高，并且燃料类型可以多样化，有利于开扩核燃料的应用范围辐照损伤只限于弥散相附近，对基体的影响较小，当燃耗逐渐加深时，燃料元件的肿胀小，因而提高了燃料元件的寿命。以金属相为基体的弥散型燃料有较高的导热率；金属基体有良好韧性，加工性能好，如不锈钢基体的核燃料可轧制成板状高功率密度元件，已用于美国军用装配式动力堆。但是，由于弥散型核燃料中的裂变物质含量低，故需采用高浓度铀原料。8Pu(钚)类核燃料Pu是最重要的一种可裂变人造同位素燃料，它能在反应堆中制造。如果钚也用做核燃料的话，那么反应堆燃料的储备量将能增加几个数

6、量级。然而，由于钚性能和加工上的一些缺点，尚处于研究发展阶段。纯金属钚的特点不适合作为核燃料熔点低，仅640℃；从室温到熔点有六种同素异构体，结构变化复杂；导热系数仅为铀的1/6左右；线膨胀系数大，各向异性十分明显；力学性能属脆性；化学稳定性很差，极易氧化，并易与H2和CO2作用。钚多以氧化物PuO2、氮化物、碳化物状态应用，也可以与UO2混合（(U,Pu)O2）使用，氧化钚的熔点高，化学稳定性好，制备较容易，现多用于快中子堆。钚的碳化物(U,Pu)C有较高的导热率，是有希望的核燃料。9陶瓷型核燃料燃料的特性芯块的制造技术要求陶瓷型核燃料主要是二氧化铀(UO2)、碳化

7、铀(UC)及氮化铀(UN)，其中二氧化铀是应用最广、研究最深入的一种。UO2燃料的性质压水堆主要是用二氧化铀瓷型核燃料，优良特性：1.熔点高:2865℃2.fcc结构(CaF2结构)，在熔点下无晶型转变，各向同性，抗辐照稳定性好。3.与水和包壳材料的相容性好。4.热中子俘获截面极低(＜0.0002barn)；与金属铀相比的不足1.密度较低,10.9g/cm32.导热率仅为金属铀的十几分之一，温度梯度大3.质脆且硬，由于大温度梯度造成的热应力而开裂。可见，陶瓷二氧化铀虽有不足之处；但其优良特性仍是主导的一面，目前动力堆广泛用它作为核燃料。