反應(yīng)堆使用的核燃料概述及金屬材料簡(jiǎn)介

1、反應(yīng)堆使用的核燃料概述及金屬材料簡(jiǎn)介XX制作成員：XX YY ZZ 核反應(yīng)堆內(nèi)使用的材料處于高溫、高壓、高中子通量和射線輻照下，因此對(duì)核反應(yīng)堆內(nèi)的材料有一些特殊要求。 合理地選擇反應(yīng)堆材料是保證反應(yīng)堆安全性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性的關(guān)鍵。 反應(yīng)堆內(nèi)的材料大致可分為：1.核燃料；2.結(jié)構(gòu)材料；3.慢化劑材料和冷卻劑材料；4.控制材料。 鈾-235是三種易裂變核素(235U，239Pu，233U)中惟一天然存在的一種，它在天然鈾中的豐度為0.714. 氣體擴(kuò)散法的原理是基于兩種不氣體擴(kuò)散法的原理是基于兩種不同分子量的氣體混合物在熱運(yùn)動(dòng)平同分子量的氣體混合物在熱運(yùn)動(dòng)平衡時(shí)，具有相同的平均動(dòng)能，但速衡時(shí)，具有

2、相同的平均動(dòng)能，但速度不同。較輕分子的平均速度大，度不同。較輕分子的平均速度大，較重分子的平均速度小。較重分子的平均速度小。 鈾濃縮的工藝鈾濃縮的工藝 氣體擴(kuò)散法：氣體擴(kuò)散法示意圖氣體擴(kuò)散法示意圖離心機(jī)法：離心機(jī)法示意圖離心機(jī)法示意圖 在高速旋轉(zhuǎn)的離心機(jī)中，由于在高速旋轉(zhuǎn)的離心機(jī)中，由于很強(qiáng)的離心力場(chǎng)的作用，較重的分很強(qiáng)的離心力場(chǎng)的作用，較重的分子靠近外周濃縮，較輕的分子靠近子靠近外周濃縮，較輕的分子靠近軸線濃縮，從而可以實(shí)現(xiàn)輕、重同軸線濃縮，從而可以實(shí)現(xiàn)輕、重同位素的分離。位素的分離。 鈾濃縮的工藝鈾濃縮的工藝 激光法： 激光法是利用同位素質(zhì)量差所引起的激發(fā)能差別，根據(jù)不同同位素原子(或由其

3、組成的分子)在吸收光譜上的微小差別(稱為同位素位移)，用線寬極窄即單色性極好的激光，選擇性地將某一種原子(或分子)激發(fā)到特定的激發(fā)態(tài)，再用物理或化學(xué)方法使之與未激發(fā)的原子(或分子)相分離。目前對(duì)于鈾同位素最具有實(shí)用價(jià)值的激光法：原子蒸汽激光分離法(atomic vapor laser isotope separation)分子激光分離法(molecule laser isotope separation) 鈾濃縮的工藝鈾濃縮的工藝 核燃料在反應(yīng)堆內(nèi)長(zhǎng)期工作，應(yīng)滿足：1.1.熱導(dǎo)率高，以承受高的功率密度和高的比功率，而不產(chǎn)生過(guò)高熱導(dǎo)率高，以承受高的功率密度和高的比功率，而不產(chǎn)生過(guò)高 的燃料溫度梯

4、度；的燃料溫度梯度；2.2.耐輻照能力強(qiáng)，以達(dá)到高的燃耗；耐輻照能力強(qiáng)，以達(dá)到高的燃耗；3.3.燃料的化學(xué)穩(wěn)定性好，與包殼相容性好，對(duì)冷卻劑具有抗腐蝕燃料的化學(xué)穩(wěn)定性好，與包殼相容性好，對(duì)冷卻劑具有抗腐蝕 能力；能力；4.4.熔點(diǎn)高，且低于熔點(diǎn)時(shí)不發(fā)生有害的相變；熔點(diǎn)高，且低于熔點(diǎn)時(shí)不發(fā)生有害的相變；5.5.機(jī)械性能好，易于加工。機(jī)械性能好，易于加工。核動(dòng)力反應(yīng)堆通常使用的燃料分為三種類型：金屬型金屬型、陶瓷型和彌散體型。金屬型核燃料包括金屬鈾和鈾合金兩種。 金屬型燃料金屬型燃料亨利貝可勒爾在1896年將照相底片放在鈾附近，從而發(fā)現(xiàn)了放射性。每月鈾價(jià)格趨勢(shì)圖（以每磅美元計(jì)），2007年的鈾價(jià)泡

5、沫爆破清晰可見金屬鈾有三種不同的結(jié)晶構(gòu)造：770 ，體心立方晶格的相，鈾變得很柔軟不堅(jiān)固。金屬鈾的熔點(diǎn)為1130 ，沸點(diǎn)約3600 。 金屬型燃料金屬型燃料 金屬型燃料金屬型燃料 摘自書上一些重要的段落：相鈾的物理和力學(xué)性能都具有各向異性，在輻照作用下，金屬鈾棒會(huì)變細(xì)、變長(zhǎng)；另一方面， 相鈾中裂變氣體（氙和氪）的溶解度很低，隨著燃耗的增加，氣體會(huì)在鈾中形成氣泡，導(dǎo)致鈾棒的腫脹。 金屬型燃料金屬型燃料 在鈾中添加少量合金元素（鉬、鉻、鋁、鋯、鈮、硅等），能使鈾穩(wěn)定在和相，從而改善某些機(jī)械性能； 添加大量合金元素后，可以明顯改善鈾的抗輻照和抗腐蝕能力，但增加了有害的中子寄生吸收； 鋯對(duì)中子的吸收截

6、面小，抗腐蝕能力好，且和鈾的溶解度大，目前應(yīng)用于動(dòng)力堆的只有鈾鋯合金。 金屬型燃料金屬型燃料 金屬型燃料金屬型燃料 總結(jié)總結(jié)钚-239可以在反應(yīng)堆內(nèi)被制造，是人造易裂變?cè)?，其臨界質(zhì)量比鈾小，在有水的情況下，650克的钚即可發(fā)生臨界事故。金屬態(tài)的钚較脆弱，熔點(diǎn)低（640）；從室溫到熔點(diǎn)有六種同素異構(gòu)體，結(jié)構(gòu)變化復(fù)雜；導(dǎo)熱系數(shù)低，僅為鈾的1/6左右；線膨脹系數(shù)大，各向異性十分明顯；化學(xué)穩(wěn)定性很差，并極易氧化，易與氫氣和二氧化碳發(fā)生反應(yīng)。這些缺點(diǎn)使金屬態(tài)的钚不適合作為核燃料，一般都以氧化物的形式與氧化鈾混合使用，即混合氧化物燃料。這種钚與鈾的組合可以實(shí)現(xiàn)快中子增殖，因而成為當(dāng)今著重研究的核燃料之一

7、。 金屬型燃料金屬型燃料釷-232吸收中子后可以轉(zhuǎn)換為可作核燃料之用的鈾-233。釷在地殼中的儲(chǔ)量很豐富，所能提供的能量大約相當(dāng)于如今鈾、煤和石油全部?jī)?chǔ)量的總和。釷的熔點(diǎn)較高，直至1400才發(fā)生晶體結(jié)構(gòu)相變，且相變前后均為各向同性結(jié)構(gòu)，所以輻照穩(wěn)定性較好，這是它優(yōu)于鈾、钚之處。金屬態(tài)的釷在使用中的主要限制為輻照下蠕變強(qiáng)度很低，一般以氧化物或碳化物的形式使用。在熱中子反應(yīng)堆中，利用鈾-釷循環(huán)可得到接近于100%的轉(zhuǎn)換比，從而實(shí)現(xiàn)“近似增殖”。但這種循環(huán)比較復(fù)雜，后處理也比較困難，因此尚未獲得廣泛應(yīng)用。 另外，因?yàn)殁Q缺乏武器應(yīng)用，釷的研究難以得到象鈾和钚的研究那樣的重點(diǎn)關(guān)注。 金屬型燃料金屬型燃料鈾氫鋯核燃料（UZrH）是TRIGA反應(yīng)堆普遍使用的核燃料，其反應(yīng)速率是負(fù)溫度系數(shù)的，在堆芯溫度超過(guò)550時(shí)，鈾氫鋯會(huì)釋放氫原子，氫逸出堆芯，被貯存在反應(yīng)堆內(nèi)一個(gè)特制的貯存盤里。燃料在失去氫原子時(shí)，自身溫度會(huì)很快降低，反應(yīng)速率減緩。在溫度降低到一定程度后，燃料又會(huì)從貯存盤內(nèi)吸收氫原子。整個(gè)反應(yīng)過(guò)程由其自身控制，不會(huì)劇烈地發(fā)生反應(yīng)。反應(yīng)堆運(yùn)行時(shí)堆芯溫度保持在一個(gè)區(qū)間內(nèi)上下波動(dòng)，因此能在定程度上避免堆芯熔毀。 金屬型燃料金屬型燃料TRI