核反应堆结构与材料-材料1

HarbinEngineeringUniversity2020/6/3核科学与技术学院1第五章核反应堆材料王建军[e-mail]电话：82569655HarbinEngineeringUniversity2020/6/3核科学与技术学院2核反应堆中对材料的一般性要求•通用要求机械强度，抗腐蚀性，可加工性，导热性能•反应堆内要求抗辐照性能与中子相互作用HarbinEngineeringUniversity2020/6/3核科学与技术学院3核反应堆相关材料•按照功用可大致分为：核燃料材料——提供核裂变慢化剂材料——热中子反应堆必须冷却剂材料——带走所产生的热能结构材料——实现功能性控制材料——控制核反应堆HarbinEngineeringUniversity2020/6/3核科学与技术学院4一、材料的辐照效应•反应堆中的辐射来源带电粒子（α、β射线，来自于衰变过程）中子（来源于裂变和中子核反应）γ射线（来源于裂变、衰变等）裂变碎片（裂变反应）辐照效应是特定物质在特定辐照条件下的效应HarbinEngineeringUniversity2020/6/3核科学与技术学院5•辐照效应之带电粒子作用类型：电离和激发（碰撞损失过程，速度不太高粒子）轫致辐射（辐射损能过程，高速粒子）α射线特点:射程最短（比较β射线和γ射线）β射线特点：射程较短（相较γ射线）HarbinEngineeringUniversity2020/6/3核科学与技术学院6•辐照效应之γ射线γ射线特点：射程较长（相较γ射线）作用形式复杂：光电效应；康普顿-吴有训散射效应和电子对效应与物质相互作用机理：共价键化合物，离子键化合物及金属键HarbinEngineeringUniversity2020/6/3核科学与技术学院7•辐照效应之中子(1)中子与物质相互作用类型：弹性碰撞，非弹性碰撞，辐射俘获，放出带电粒子反应（n,p)，放出几个中子的反应（高能中子反应），裂变反应中子辐照损伤原理位移能，原子-空穴中子与物质相互作用特点（快中子）HarbinEngineeringUniversity2020/6/3核科学与技术学院8•辐照效应之中子(2)HarbinEngineeringUniversity2020/6/3核科学与技术学院9•辐照效应之中子(3)辐照损伤程度与材料及辐照温度有关中子辐照损伤通常产生脆化效应，即硬度增加，延性下降辐照肿胀及定向生长（反应堆内效应）提高辐照温度可减轻损伤，即“退火”效应HarbinEngineeringUniversity2020/6/3核科学与技术学院10•辐照效应之裂变碎片裂变碎片本身不属于辐射效应范畴裂变碎片可在裂变区域附近产生近似快中子的“辐照效应”，即形成核燃料内原子位移杂化效应及肿胀效应（两种效应）HarbinEngineeringUniversity2020/6/3核科学与技术学院11二、核燃料反应堆中使用的裂变物质及可转换物质的统称主要指U，Pu易裂变同位素其功用主要用来产生裂变并放出裂变能量核燃料其功用主要用来产生裂变并放出裂变能量HarbinEngineeringUniversity2020/6/3核科学与技术学院12良好的热物性，例如热导率高抗辐照能力强，燃耗深燃料的化学稳定性好，燃料与包壳、冷却剂的相容性好核燃料的一般性要求熔点高，且在低于熔点时不发生有害相变机械性能好，易于加工HarbinEngineeringUniversity2020/6/3核科学与技术学院13核燃料的存在形态•液态•固态金属，陶瓷，弥散体型核心包覆颗粒燃料元件HarbinEngineeringUniversity2020/6/3核科学与技术学院14金属型燃料（1）①金属型燃料的类型主要包括金属铀及铀合金②金属铀的物理化学性质银灰色金属，密度高(18.6),热导率高,工艺性能好,熔点1133℃,沸点3600℃（优点）化学活性强，与大多数非金属反应(缺点)α、β、γ相的转变温度662，772HarbinEngineeringUniversity2020/6/3核科学与技术学院15金属型燃料（2）③金属铀的工作条件限制由于相变限制，只能低于665℃辐照长大，定向长大限制低温工作环境辐照肿胀现象，较高温度条件下的金属燃料变形适宜用于生产堆(堆芯温度较低，中子注量率不太高)HarbinEngineeringUniversity2020/6/3核科学与技术学院16金属型燃料（4）④合金铀的相关说明主要合金形式有铀与锆、铬、钼、铌、铝等与金属铀相比，合金具有较好的机械性能、良好的抗腐蚀性能，对抗辐射性能有所改善加入合金元素会使中子吸收增加，需使用富集铀锆的熔点高，中子吸收截面小，抗辐射性能好，同时铀在锆中的溶解度大（铀－锆合金）熔点高，热导率高，便于轧制成型铀－锆－2在高燃耗情况下辐照稳定性不好（西平港）美国铀－锆－钚合金可用于快中子增殖HarbinEngineeringUniversity2020/6/3核科学与技术学院17金属型燃料的性能对比表HarbinEngineeringUniversity2020/6/3核科学与技术学院18陶瓷型燃料陶瓷燃料是指铀、钚、钍的氧化物、碳化物和氮化物常见的陶瓷燃料有UO2，PuO2，UC，UN陶瓷型燃料主要用来解决金属或合金型燃料工作温度限制（相变及肿胀效应）无同素异形体，只有一种结晶形态（面心立方），各向同性，燃耗深熔点高；未经辐照的测定值2805±15℃具有与高温水、钠等的良好相容性，耐腐蚀能力好与包壳相容性良好陶瓷型核燃料优点UO2HarbinEngineeringUniversity2020/6/3核科学与技术学院19陶瓷型核燃料缺点UO2•二氧化铀的导热性能较差，热导率低•传热负荷一定时，燃料径向温度梯度大•在热梯度或热震作用下可能导致脆化HarbinEngineeringUniversity2020/6/3核科学与技术学院20陶瓷型核燃料-UO2的辐照效应•陶瓷型核燃料早期会出现密实化效应可能导致塌陷线功率密度增加，芯块温度升高芯块缩小，气体间隙变大，导热性能下降，温度升高•长期运行可能引起的裂变气体释放和肿胀效应临界燃耗主要与燃料自身密度相关HarbinEngineeringUniversity2020/6/3核科学与技术学院21二氧化铀的典型物性（1）•密度理论密度10.98g/cm3振动密实密度：大约为理论密度的82-91%烧结二氧化铀燃料芯块密度约为理论密度的88-98%一般取95%•热导率与温度、燃料密度（孔隙率）、燃耗、氧铀比等有关热导率计算67t)exp(0.0018101.216t46440.4K49567t)exp(0.0018101.2160.0191K495100pKβε1ε1KHarbinEngineeringUniversity2020/6/3核科学与技术学院22二氧化铀的典型物性（2）•热导率（续）燃耗对热导率的影响低温时随燃耗升高热导率下降高温时变化不大热导率随氧铀比增加而减小HarbinEngineeringUniversity2020/6/3核科学与技术学院23二氧化铀的典型物性（3）比热性能二氧化铀比热可表示为温度函数，如：262p273.15)/(t106t102.51304.38c4103623pt101.59t101.12t102.712.789t712.25c℃℃122625t℃℃28001226t单位J/(kg℃)HarbinEngineeringUniversity2020/6/3核科学与技术学院24二氧化铀的制备•制备流程：气象UF6水解与稀氨水溶液反应重铀酸铵沉淀煅烧UO3还原UO2生坯烧结芯块压制生坯UO2粉末UO3ADUUO2F2UF6UO2芯块HarbinEngineeringUniversity2020/6/3核科学与技术学院25其他陶瓷型燃料性质•二氧化铀是目前水冷反应堆广泛使用的燃料•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）HarbinEngineeringUniversity2020/6/3核科学与技术学院26混合物燃料性质比较•混合氧化物熔点高辐射稳定性好与冷却剂、包壳相容性好金属原子密度低快堆中氧有慢化作用热导率低深度燃耗肿胀•碳化物（U）高温化学稳定性好热导率高理论密度大金属原子数密度大，中子效率高，增殖比大，倍增时间少易于与水反应高温条件下肿胀•氮化物（U）抗辐照能力好抗高温蠕变强热导率高含U密度最高增殖比大与包壳相容性好肿胀较弱高温易分解N对中子吸收HarbinEngineeringUniversity2020/6/3核科学与技术学院27典型陶瓷燃料性能HarbinEngineeringUniversity2020/6/3核科学与技术学院28弥散体型燃料•弥散型燃料是由二氧化铀或碳化铀等陶瓷燃料颗粒，依照所需的物理性质弥散在金属、非金属或陶瓷基体上所组成的燃料型式。•例如Al，不锈钢，Zr，石墨等基体核心包覆颗粒燃料元件HarbinEngineeringUniversity2020/6/3核科学与技术学院29弥散体型燃料弥散相要求①高浓缩性②强度好③在加工及运行环境下，与基体相容性好④非裂变中子吸收截面低⑤抗辐照性能好HarbinEngineeringUniversity2020/6/3核科学与技术学院30弥散体型燃料基体相要求①运行范围内有足够的蠕变强度和韧性②中子吸收截面低，抗辐照能力强③热导率高④热膨胀系数低，并与燃料的膨胀性能相似⑤与冷却剂材料的相容性好⑥在使用和加工温度条件下，不析出新相HarbinEngineeringUniversity2020/6/3核科学与技术学院31弥散体型燃料特点•陶瓷燃料颗粒的尺寸与颗粒之间的间距均远大于裂变产物的射程，燃耗可以比较深；•燃料和冷却剂之间基本没有相互作用问题，减少了冷却剂回路被污染的可能性；•燃料与基体的性质相似，因此导热、辐照及耐辐射性能好，强度和延性好，能承受热应力•缺点：基体份额大，高富集度燃料颗粒HarbinEngineeringUniversity2020/6/3核科学与技术学院32核燃料的应用