核動力反應(yīng)堆的主要構(gòu)成

1、核反應(yīng)堆，又稱原子反應(yīng)堆或反應(yīng)堆，是利用裝載的核燃料，維持和控制大規(guī)模鏈式裂變反應(yīng)，并持續(xù)不斷地將裂變能量帶出做功，實現(xiàn)核能熱能轉(zhuǎn)換的裝置。 核反應(yīng)堆的結(jié)構(gòu)形式是多種多樣的，根據(jù)燃料形式、冷卻劑種類、中子能量分布形式、特殊的設(shè)計需要等因素可建造成各類型的反應(yīng)堆。根據(jù)燃料類型的不同，核反應(yīng)堆可分為天然氣鈾堆、濃縮鈾堆和釷堆；根據(jù)用途的不同，可分為研究堆、生產(chǎn)堆和動力堆等幾種類型；根據(jù)冷卻劑（載熱劑）材料的不同，可分為水冷堆、氣冷堆、有機液冷堆和液態(tài)金屬冷堆；根據(jù)慢化劑（減速劑）的不同，可分為石墨堆、重水堆、壓水堆、沸水堆、有機堆、熔鹽堆和鈹堆等等。雖然核反應(yīng)堆概念上可以有900多種設(shè)計，但目前能

2、實際使用的非常有限。 在未來相當長一段時期內(nèi)核能將成為人類能源產(chǎn)業(yè)的重要支柱，人們完全可以把核反應(yīng)堆應(yīng)用于和平事業(yè)?，F(xiàn)在國際社會關(guān)注的朝核問題和伊朗核問題，實際上是冷戰(zhàn)對抗的延續(xù)，實質(zhì)是政治問題，只有和平協(xié)商才是解決這一問題的唯一出路。 核反應(yīng)堆內(nèi)用以產(chǎn)生可控核裂變鏈式反應(yīng)并保證安全運行的各類材料。除核燃料外，還包括冷卻劑、慢化劑、反射層材料、結(jié)構(gòu)材料、控制材料和屏蔽材料等。核反應(yīng)堆材料一般在高溫、腐蝕介質(zhì)和輻照等特殊條件下工作，因此對它們的物理、化學(xué)和力學(xué)性能有嚴格要求。 冷卻劑 又稱載熱劑。其作用是將反應(yīng)堆內(nèi)因核裂變產(chǎn)生的熱量導(dǎo)出堆外，在均勻堆中還兼作流體燃料的載體。冷卻劑的特點是，具有良

3、好的傳熱性和流動性，高沸點、低熔點、泵送功率低，對熱和輻射有良好的穩(wěn)定性，在反應(yīng)堆系統(tǒng)下不產(chǎn)生腐蝕，感生放射性低，中子俘獲截面小。常用的冷卻劑分氣體和液體兩類。氣體冷卻劑有二氧化碳和氦氣 。其優(yōu)點是選擇工作壓強和溫度時，可以完全獨立地進行，因而能實現(xiàn)高溫低壓運行；缺點是泵送功率大。液體冷卻劑有輕水、重水和液態(tài)金屬。后者具有熱導(dǎo)率高、蒸氣壓低的特點 。快增 殖 堆常用 液態(tài)鈉 作冷 卻劑 。液態(tài) 鈉熔點 較低（98），熱導(dǎo)率高，但有一定腐蝕性，能使回路管道因質(zhì)量遷移而堵塞 。此外，鈉吸收中子后會產(chǎn)生強放射性24Na ，而且鈉很活潑，遇水即爆炸，故在設(shè)計熱交換器時要特別注意。 慢化劑 用于熱中子反

4、應(yīng)堆內(nèi)，使裂變產(chǎn)生的快中子減速為熱中子，從而提高裂變反應(yīng)的幾率。對慢化劑的要求是對中子有較高的散射截面和低的吸收截面。常用的慢化劑是輕水、重水和石墨。輕水是含氫物質(zhì)，慢化能力大，價格低廉，但吸收截面較大，對金屬有腐蝕作 用，易發(fā)生輻射分解。重水的吸收截面小，并可發(fā)生（ ，n ）反應(yīng)而為鏈式反應(yīng)提供中子；缺點是價格昂貴，還要細心防止泄漏損失、污染和與氫化物發(fā)生同位素交換。石墨的吸收截面低于重水，但價格便宜，又是耐高溫材料，可用于非氧化氣氛的高溫堆中。此外，還可用碳氫化合物、鈹?shù)茸髀瘎┎牧?。鈹?shù)穆芰Ρ仁茫盟髀瘎┛煽s小堆芯尺寸，但鈹有劇毒 、價格昂貴、易產(chǎn)生輻照腫脹，故使用受到限制。

5、 反射層材料 在反應(yīng)堆活性區(qū)周圍用來散射從活性區(qū)泄漏出的中子，使其改變方向重新回到活性區(qū)。對反射層材料的要求與慢化劑相同，要求其散射截面要大，吸收截面要小。因此，好的慢化劑材料也是好的反射層材料。在快中子堆中，大部分裂變由高能中子引起，反射層材料由高質(zhì)量數(shù)的致密物質(zhì)組成，以使被反向散射進堆芯的中子受到最小的慢化 。常用的反射層材料有輕水、重水、石墨、鈹、氧化鈹、氧化鋯等。 結(jié)構(gòu)材料 包括燃料包殼、堆芯構(gòu)件、反應(yīng)堆容器、熱交換器和主回路管道等所用的材料。其中對包殼材料的性能要求最嚴。熱中子堆的包殼材料一般使用鋁合金、鎂合金和鋯合金。快中子堆包殼材料范圍比較寬。鋁、鎂合金是較早使用的結(jié)構(gòu)材料，由于

6、其熔點低，只能用于低溫。鋯合金在高溫下強度好，在高溫純水中的耐腐蝕性接近不銹鋼，而其中子吸收截面卻 只有不銹鋼的 115，是目前水冷動力堆中廣泛使用的結(jié)構(gòu)材料。奧氏體不銹鋼在高溫下的強度和抗腐蝕性能都很好，且價格比較便宜，也用作燃料元件包殼和其他結(jié)構(gòu)材料。低合金鋼和碳鋼普遍用于制作核反應(yīng)堆壓力容器。此外，可用作結(jié)構(gòu)材料的還有鎳、鈦、鈮、釩等合金 。 控制材料 用于制作核反應(yīng)堆控制棒的材料?？刂瓢粼诜磻?yīng)堆中起補償和調(diào)節(jié)中子反應(yīng)性以及緊急停堆的作用?？刂撇牧暇哂形战孛娲?、散射截面小等特點。常用的控制材料有硼、鎘、鉿和某些稀土元素及其合金。硼不僅中子吸收截面高，而且吸收中子的能量范圍較寬，一般以碳

7、化硼或硼鋼作為控制材料。鎘的熱中子吸收截面比硼高，但對超熱中子的吸收截面小，一般制成銀銦鎘合金用于水冷堆。鉿不僅對熱中子和超熱中子都有高的吸收截面，而且是長壽命的中子吸收體，特別適用于水冷堆。但鉿稀缺、昂貴，因而使用受到限制。 屏蔽材料 用于衰減反應(yīng)堆芯中產(chǎn)生的各種射線的材料。反應(yīng)堆產(chǎn)生的輻射中，危害最大的是穿透力大的中子和射線。屏蔽材料必須能夠衰減射線，并使快中子減速而被吸收。常用的屏蔽材料由含有重元素（如鉛）、輕元素（如水 中的氫）以及中子吸收劑（如硼）的材料組成。加有重晶石或鐵礦石的混凝土也是常用的屏蔽材料。 - 核反應(yīng)堆材料 nuclear reactor materials 核反應(yīng)堆

8、內(nèi)用以產(chǎn)生可控核裂變鏈式反應(yīng)并保證安全運行的各類材料。除核燃料外,還包括冷卻劑、慢化劑、反射層材料、結(jié)構(gòu)材料、控制材料及屏蔽材料等（見圖）。這些材料一般在高溫、腐蝕介質(zhì)和輻照等特殊條件下工作，因此對它們的物理、化學(xué)和力學(xué)性能有嚴格的要求。 核燃料 核反應(yīng)堆內(nèi)可以實現(xiàn)自持核裂變鏈式反應(yīng)的、包含易裂變核素(235U、239Pu、233U的材料,它們在熱中子作用下能進行裂變。其中235U是天然的易裂變核素；239Pu和233U分別由238U和232Th俘獲中子而制得。238U和232Th稱為可轉(zhuǎn)換核素。鈾（包括233U、235U、238U）是目前普遍使用的核燃料。钚(239Pu在快中子堆中與238U

9、組合可以有效地實現(xiàn)核燃料增殖，因而成為著重研究的核燃料之一。 慢化劑和反射層材料 慢化劑用于熱中子反應(yīng)堆內(nèi)，使裂變產(chǎn)生的快中子減速為熱中子，從而提高裂變反應(yīng)的幾率。慢化劑要求對中子有高的散射截面和低的吸收截面，多為含有氫（氘）、碳和鈹?shù)容p元素的材料。除水和重水外，石墨是最常用的慢化劑。石墨化程度高而各向同性的石墨，具有較好的輻照穩(wěn)定性。此外，石墨也是重要的高溫結(jié)構(gòu)材料。鈹?shù)穆芰Ρ仁?，用它作慢化劑可以縮小堆芯的尺寸。但鈹有劇毒，價格昂貴，使用受到限制。這些慢化劑也都可用作反射層材料。反射層可以減少中子漏失，使盡可能多的中子參與裂變反應(yīng)。 冷卻劑 又稱載熱劑。其作用在于將反應(yīng)堆內(nèi)因核裂變產(chǎn)

10、生的熱量導(dǎo)出堆外，在均勻堆中還兼作流體燃料的載體。冷卻劑必須具有良好的傳熱性和流動性。由于它流經(jīng)堆芯,因此還要求具有較低的中子吸收截面、較好的輻照穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性以及對其他材料較低的腐蝕性。常用的冷卻劑除CO2、He等氣體以及水和重水外,還有液態(tài)金屬。這種金屬具有熱導(dǎo)率高和蒸氣壓低的特點。鈉是快中子堆中使用的冷卻劑。鈉的熔點較低（98），熱導(dǎo)率很高，但有一定的腐蝕性，能使回路管道因質(zhì)量遷移而堵塞。鈉吸收中子后會產(chǎn)生強放射性的24Na。此外，鈉很活潑，遇水即爆炸，在設(shè)計熱交換器時應(yīng)特別注意。某些有機材料和熔鹽亦可用作冷卻劑。但有機物在輻照下很容易分解，現(xiàn)已很少使用。熔鹽（如氟鹽）因為輻照穩(wěn)定性

11、和化學(xué)穩(wěn)定性都很好，可作為流體燃料的載體，正在進行研究。 結(jié)構(gòu)材料 包括燃料包殼、堆芯構(gòu)件、反應(yīng)堆容器、熱交換器 和主回路管道等所用的材料。其中，對包殼材料的性能要求最嚴。熱中子堆的包殼材料一般使用鋁合金、鎂合金和鋯合金等；而快中子堆包殼材料的取材范圍要寬得多。 鋁合金和鎂合金是較早使用的結(jié)構(gòu)材料，但它們的熔點較低，只能用于低溫。鋯合金在高溫下強度比鋁合金、鎂合金好,在高溫純水中的耐腐蝕性接近不銹鋼,而其中子吸收截面卻只有不銹鋼的1/15，因此成為目前水冷動力堆中廣泛使用的結(jié)構(gòu)材料。一般多采用抗水腐蝕性能較好的Zr-2和Zr-4合金，它們可以適應(yīng)高溫和深度燃耗的條件。 奧氏體不銹鋼在高溫下的強

12、度和抗腐蝕性能都很好，且價格比較便宜，也用作燃料元件包殼和其他結(jié)構(gòu)材料。低合金鋼和碳鋼普遍用于制作核反應(yīng)堆壓力容器等。為了防止冷卻劑的腐蝕，可在容器內(nèi)壁襯以不銹鋼覆面。此外，可作結(jié)構(gòu)材料的還有鎳、鈦、鈮、釩等合金。 控制材料和屏蔽材料 常用的控制材料有硼、鎘、鉿和某些稀土元素(如釓。硼不僅中子吸收截面高，而且吸收中子的能量范圍較寬。一般以碳化硼或硼鋼作為控制材料。鎘的熱中子吸收截面比硼高，但是對超熱中子的吸收截面小，一般制成銀銦鎘合金用于水冷堆。鉿不僅對熱中子和超熱中子都有高的吸收截面，而且是長壽命的中子吸收體，特別適于水冷堆。但鉿非常稀缺、昂貴，因而使用受到限制。 屏蔽材料必須能夠衰減射線，

13、使快中子減速而被吸收。它可由某些含有重元素（如鉛）、輕元素（如水中的氫）以及中子吸收劑（如硼）的材料組成。加有重晶石或鐵礦石的混凝土也是常用的屏蔽材料。 各種類型的核反應(yīng)堆所用的材料見表。 參考書目 （日）三島良績編著，張鳳林、郭豐守譯：核燃料工藝學(xué)，原子能出版社，北京,1981。（三島良績編著：核燃料工學(xué)，同文書院，東京，1972。） 編輯補充 核反應(yīng)堆材料 nuclear reactor material 核反應(yīng)堆內(nèi)用以產(chǎn)生可控核裂變鏈式反應(yīng)并保證安全運行的各類材料。除核燃料外，還包括冷卻劑、慢化劑、反射層材料、結(jié)構(gòu)材料、控制材料和屏蔽材料等。核反應(yīng)堆材料一般在高溫、腐蝕介質(zhì)和輻照等特殊條

14、件下工作，因此對它們的物理、化學(xué)和力學(xué)性能有嚴格要求。 冷卻劑 又稱載熱劑。其作用是將反應(yīng)堆內(nèi)因核裂變產(chǎn)生的熱量導(dǎo)出堆外，在均勻堆中還兼作流體燃料的載體。冷卻劑的特點是，具有良好的傳熱性和流動性，高沸點、低熔點、泵送功率低，對熱和輻射有良好的穩(wěn)定性，在反應(yīng)堆系統(tǒng)下不產(chǎn)生腐蝕，感生放射性低，中子俘獲截面小。常用的冷卻劑分氣體和液體兩類。氣體冷卻劑有二氧化碳和氦 氣。其優(yōu)點是選擇工作壓強和溫度時，可以完全獨立地進行，因而能實現(xiàn)高溫低壓運行；缺點是泵送功率大。液體冷卻劑有輕水、重水和液態(tài)金屬。后者具有熱導(dǎo)率高、蒸氣壓低的特點 。快增殖堆常用液態(tài)鈉作冷卻劑 。液態(tài)鈉熔點較低（98），熱導(dǎo)率高，但有一定

15、腐蝕性，能使回路管道因質(zhì)量遷移而堵塞。此外，鈉吸收中子后會產(chǎn)生強放射性24Na，而且鈉很活潑，遇水即爆炸，故在設(shè)計熱交換器時要特別注意。 慢化劑 用于熱中子反應(yīng)堆內(nèi)，使裂變產(chǎn)生的快中子減速為熱中子，從而提高裂變反應(yīng)的幾率。對慢化劑的要求是對中子有較高的散射截面和低的吸收截面。常用的慢化劑是輕水、重水和石墨。輕水是含氫物質(zhì)，慢化能力大，價格低廉，但吸收截面較大，對金屬有腐蝕作用，易發(fā)生輻射分解。重水的吸收截面小，并可發(fā)生（，n）反應(yīng)而為鏈式反應(yīng)提供中子；缺點是價格昂貴，還要細心防止泄漏損失、污染和與氫化物發(fā)生同位素交換。石墨的吸收截面低于重水，但價格便宜，又是耐高溫材料，可用于非氧化氣氛的高溫堆

16、中。此外，還可用碳氫化合物、鈹?shù)茸髀瘎┎牧?。鈹?shù)穆芰Ρ仁?，用它作慢化劑可縮小堆芯尺寸，但鈹有劇毒、價格昂貴、易產(chǎn)生輻照腫脹，故使用受到限制。 反射層材料 在反應(yīng)堆活性區(qū)周圍用來散射從活性區(qū)泄漏出的中子，使其改變方向重新回到活性區(qū)。對反射層材料的要求與慢化劑相同，要求其散射截面要大，吸收截面要小。因此，好的慢化劑材料也是好的反射層材料。在快中子堆中，大部分裂變由高能中子引起，反射層材料由高質(zhì)量數(shù)的致密物質(zhì)組成，以使被反向散射進堆芯的中子受到最小的慢化。常用的反射層材料有輕水、重水、石墨、鈹、氧化鈹、氧化鋯等。 結(jié)構(gòu)材料 包括燃料包殼、堆芯構(gòu)件、反應(yīng)堆容器、熱交換器和主回路管道等所用的材

17、料。其中對包殼材料的性能要求最嚴。熱中子堆的包殼材料一般使用鋁合金、鎂合金和鋯合金?？熘凶佣寻鼩げ牧戏秶容^寬。鋁、鎂合金是較早使用的結(jié)構(gòu)材料，由于其熔點低，只能用于低溫。鋯合金在高溫下強度好，在高溫純水中的耐腐蝕性接近不銹鋼，而其中子吸收截面卻只有不銹鋼的115，是目前水冷動力堆中廣泛使用的結(jié)構(gòu)材料。奧氏體不銹鋼在高溫下的強度和抗腐蝕性能都很好，且價格比較便宜，也用作燃料元件包殼和其他結(jié)構(gòu)材料。低合金鋼和碳鋼普遍用于制作核反應(yīng)堆壓力容器。此外，可用作結(jié)構(gòu)材料的還有鎳、鈦、鈮、釩等合金。 控制材料 用于制作核反應(yīng)堆控制棒的材料?？刂瓢粼诜磻?yīng)堆中起補償和調(diào)節(jié)中子反應(yīng)性 以及緊急停堆的作用。控制材料具有吸收截面大、散射截面小等特點。常用的控制材料有硼、鎘、鉿和某些稀土元素及其合金。硼不僅中子吸收截面高，而且吸收中子