新能源材料第14讲课件.ppt

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1、14.1裂变反应堆材料14.2聚变堆材料14.3核能材料的辐照效应14.4核能材料中的辐照损伤现象14核能材料概述14核能材料概述核能材料是指各类核能系统主要构件所用的材料，常见且含义相近的还有反应堆材料和核材料。前者是各类裂变核聚变反应堆使用的主要材料。因为目前的核能系统主要是发电用的各类裂变核聚变反应堆，所以除核能系统常规道所用材料外，反应堆材料与核能材料基本相同。禁产的核材料是核武器的主要原料－－高福集铀和钚。14.1裂变反应堆材料14.1.1裂变原理和裂变反应堆一种典型的裂变反应式为：235U＋n→140Ba＋9

2、4Kr＋2n铀235原子每次裂变放出约200MeV的能量。实现裂变反应的装置称为裂变反应堆。都由堆芯和辅助系统组成。堆芯内装有核燃料，维持链式裂变反应。慢化是借助慢化剂与高能中子的多次散射来实现的。中子需要慢化的反应堆称为热中子反应堆。直接利用高能中子的反应堆称为快中子反应堆。1）压水堆核电厂系统压水堆核电厂由两个独立的水系统，即一（次水）回路和二（次水）回路组成，它们在蒸汽发生器汇合如图：2）高温气冷堆供热发电厂系统高温气冷堆供热和发电厂有整体式和模块式两种设计，下面以整体式为球床堆为例（图14-2）介绍系统和结构。3

3、）空间热离子反应堆电源系统一种超热中子热离子反应堆电源系统见图14-3所示，它主要由反应堆堆芯、热离子能量转换器和辅助系统组成。14.1.2裂变堆材料分类和特征裂变堆核电厂材料分为堆芯结构材料和堆芯外结构材料。下面对堆芯材料作一概述。堆芯结构材料主要有:燃料组件用材料核燃料组件将裂变能以热的形式安全可靠地传递给冷却剂。慢化剂材料热中子反应堆内的中子需要慢化。控制材料对反应堆的链式裂变反应进行控制，通常是向堆芯内放入或取出容易吸收中子材料。冷却剂材料反应堆冷却剂应是载热性能良好的流体。反射层材料为防止堆芯的裂变中子泄漏道堆

4、芯外部，在堆芯周围一般设置反射层，尽可能将泄漏中子反射回堆芯。屏蔽材料选择屏蔽材料应根据核辐射的特性而有不同。反应堆容器材料反应堆容器和一回路的冷却剂，是反应堆的一道安全屏障，而且在反应堆全寿期内不可更换，必须十分可靠。14.2聚变堆材料14.2.1聚变原理和托卡马克装置重原子核分裂放出核能。反之，两个轻原子核融合形成重原子核，叫核聚变。人类最关心的聚变反应有：要使两个核融合发生聚变反应必须克服它们间的静电斥力。目前研究认为，这可用“受约束的高温等离子体”方案来实现。1）高温2）约束目前受控制研究约束方法分两类：1）磁约

5、束（MCF）2）惯性约束（ICF）托卡马克磁约束装置示意图：14.2.2聚变堆主要材料及其特征按目前托卡马克约束聚变装置，聚变堆材料主要包括以下几类。1）聚变核燃料。2）氚增殖材料。3）中子倍增材料。4）第一壁材料。14.3核能材料的辐照效应自从Hamgerg（1914）在放射性产物自轰击的硅铍钇矿中发现潜能释放出来，辐照效应研究随着核反应堆的发展越发受到重视。因此材料在辐照场下的性能至关重要。14.3.1辐照缺陷的产生过程中子和辐照粒子撞击固体材料的点阵原子产生缺陷或引起和反应生成嬗变元素。这些点阵缺陷和嬗变元素改变材

6、料的性能。这种现象被统称辐照效应。1）入射粒子在固体中的行为2）碰撞截面和辐照损伤剂量3）离位阈能4）离位峰14.3.2核能材料中的辐照损伤现象14.3.2.1包壳材料中空位团、间隙原子团的形核生长和辐照肿胀辐照缺陷的浓度和相应的微观结构演化通常壳分为的瞬态过程和以后的准稳态过程。快堆包壳材料的辐照肿胀存在孕育期、转变期和线性肿胀期，见图14-714.3.2.2核燃料中裂变气泡迁移、聚变和裂变气体释放对于核燃料，裂变产物的能量很高，他们都产生严重的辐照损伤，并有大量的原子重新分布，在辐照缺陷的协同作用下形成气泡，造成肿胀

7、或扩散迁移而释放。14.3.2.3结构材料的辐照硬化、脆化和断裂大多数金属材料在辐照下屈服应力和极限强度增加、延伸率和下降。它们都是快中子注量和温度的函数，前者称辐照硬化，后者反映了辐照脆化。1）位错与辐照缺陷的相互作用辐照缺陷因提高了位错在滑移面上所需要的应力而成为位错启动阻力，称为辐照源硬化。将一个位错释放到它的滑移面上所需要施加的应力叫做脱钉应力。2）在应力作用下辐照缺陷对断裂的影响一般堆内部都是在长期经受远低于屈服应力作用下产生蠕变断裂的。辐照缺陷强化了晶粒的基体，减少裂纹尖端的塑性流变，从而降低了裂纹表面能使断

8、裂沿着晶界以一种近乎脆性的方式进行。另一种断裂途径使有辐照形成的空洞在有应力集中的晶界成核并从基体内吸收空位而长大。当这些晶界空洞长到可以互相连接起来时便引起断裂。本章完！