堆芯材料选择和热物性

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1、本章主要探讨的是堆芯结构材料。堆芯结构材料应能够在保证反应堆的安全的同时，满足反应堆的经济行要求。从安全角度出发，由于材料的使用条件极其苛刻，这就要求材料具有较高的抗动载荷能力，例如热应力、强振动、高辐射等等。实际工程中选择堆芯材料要考虑的因素很多，诸如强度、塑性、工艺性、热应力及交变应力作用下的抗疲劳性、辐射稳定性、腐蚀稳定性、导热性、材料之间的相容性以及对中子的吸收截面等等。第二章　堆芯材料选择和热物性1堆芯结构材料包括：1)燃料元件用材料：燃料芯块材料、燃料包壳材料、燃料组件和部件材料、导向管材料；2)慢化剂；3)冷却剂；4)反射

2、层材料；5)控制材料：热中子吸收材料及控制棒材料、控制棒包壳材料、控制棒构件、液体控制材料；6)屏蔽材料；7)反应堆容器材料。2第一节　核燃料可用作核燃料的元素不多，233U、235U、239Pu、241Pu的热中子裂变截面较大，其中233U、235U、239Pu已被用作核燃料。235U是存在于天然铀矿中的核燃料。在天然铀中，大量存在的是238U，约占99.28%，235U的含量大约只占0.714%，其余的约0.006%是234U。235U和239Pu是在生产堆中用人工方法获得的两种核燃料。它们分别是由232Th和238U俘获中子而形成

3、的。其中239Pu是核弹头的主要材料。3241Pu的半衰期短，放射性强，裂变截面大，在反应堆里面的积累量很少，所以很少单独提取。另外一些超钚元素具有裂变材料的重要特点，适合于作为小型核武器和氢弹的引爆材料，它们是镅-242、锯-245、锯-247、锎-249和锎-251等。选择燃料时应考虑的几个条件，最重要的是中子吸收截面，一般对快中子的吸收截面要比热中子的小。其次是燃料密度，通常希望燃料密度大，但是为了改善纯金属铀的物理性质，曾试用合金燃料。还应考虑，组成燃料元件的物质是否容易获得，加工制造和后处理是否困难，以及耐腐蚀、耐高温、耐辐照

4、的性能如何等重要因素。现在的商用核电厂多采化合物形式的陶瓷体燃料。4一、核燃料分类易裂变材料：铀-235，铀-233和钚-239可裂变（可转换）材料：钍-232和铀-238固体核燃料：金属型（包括合金）、陶瓷型和弥散型。液体核燃料：核燃料与某种液体载体如水溶液、低熔点的熔盐以及液态金属等均匀混合。5固体核燃料的性能要求(１)具有良好的辐照稳定性，保证燃料元件在经受深度燃耗后，尺寸与形状的变化能保持在允许的范围之内；(２)具有良好的热物性(熔点高，热导率大，热膨胀系数小)，使反应堆能达到高的功率密度；(３)在高温下与包壳材料的相容性好；(

5、４)与冷却剂接触不产生强烈的化学腐蚀；(５)工艺性能好，制造成本低，便于后处理。6金属铀和铀合金金属铀：主要优点：密度高（＞18.6克/厘米3）；热导率大；工艺性能良好。主要缺点：1、熔点低，而且熔点以下具有三种同素异形体，分别称为α相（<668℃）、β相（668~774℃）、γ相（>774℃），各具有不同的结晶构造。从一个相转变为另一个相，铀的若干性质要发生急剧的变化，这在反应堆内是不允许的；2、辐照稳定性差，有辐照生长和辐照肿胀现象。7铀合金：在铀中加入适量的钼、锆、硅等元素，制成铀合金，可提高铀的辐照稳定性，同时还能改善其而腐蚀性

6、能。但是即使采取了这种措施，铀合金的辐照稳定性仍然比较差。后来由于性能更加良好的陶瓷型二氧化铀获得较快的发展，因而铀合金在动力堆中没有被广泛采用。8陶瓷型材料——二氧化铀1、主要优点：１)耐辐照：二氧化铀没有同素异形体，在熔点(2805℃)以下的整个温度范围内，只有一种结晶形态，并且是各向同性的，不可能发生象金属铀那样的长大现象。２)二氧化铀的高熔点的特点大大扩大了它的使用温度范围，它为现在和将来先进的动力反应堆提供了达到高的热效率的可能性。9３)在高温水和液态钠中具有良好的耐腐蚀性能。即使在反应堆运行期间燃料元件包壳出现某种缺陷，二氧

7、化铀也不会和冷却剂发生剧烈反应，因而可以减轻由包壳破损造成的污染后果。４)与包壳材料(如锆-2、锆-4和不锈钢等)和冷却剂材料的相容性好。10陶瓷型核燃料——二氧化铀主要热物性：1、熔点：未经辐照的二氧化铀熔点的比较精确的测定值是2805±15℃。辐照以后，随着固相裂变产物的积累，二氧化铀的熔点会有所下降，燃耗越深，下降得越多。熔点随燃耗增加而下降的数值约为：燃耗每增加104兆瓦·日／吨铀，熔点下降32℃。2、密度：二氧化铀的理论密度是10.98克／厘米3，但实际制造出来的二氧化铀，由于存在孔隙，还达不到这个数值。加工方法不同，所得到的

8、二氧化铀制品的密度也就不一样。113、热导率：密度为95%理论值的冷压烧结二氧化铀，其热导率通常用下述公式计算12陶瓷型核燃料——二氧化铀其它密度下的烧结二氧化铀的热导率可用下述公式计算式中kp——带孔隙的