核反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)與材料材料1ppt課件

1、第五章第五章 核反應(yīng)堆材料核反應(yīng)堆材料王建軍王建軍：82569655核反應(yīng)堆中對(duì)材料的一般性要求核反應(yīng)堆中對(duì)材料的一般性要求 通用要求通用要求 機(jī)械強(qiáng)度，抗腐蝕性，可加工性，導(dǎo)熱性能機(jī)械強(qiáng)度，抗腐蝕性，可加工性，導(dǎo)熱性能 反應(yīng)堆內(nèi)要求反應(yīng)堆內(nèi)要求 抗輻照性能抗輻照性能 與中子相互作用與中子相互作用核反應(yīng)堆相關(guān)材料核反應(yīng)堆相關(guān)材料 按照功用可大致分為：按照功用可大致分為： 核燃料材料核燃料材料提供核裂變提供核裂變 慢化劑材料慢化劑材料熱中子反應(yīng)堆必須熱中子反應(yīng)堆必須 冷卻劑材料冷卻劑材料帶走所產(chǎn)生的熱能帶走所產(chǎn)生的熱能 結(jié)構(gòu)材料結(jié)構(gòu)材料實(shí)現(xiàn)功能性實(shí)現(xiàn)功能

2、性 控制材料控制材料控制核反應(yīng)堆控制核反應(yīng)堆一、材料的輻照效應(yīng)一、材料的輻照效應(yīng) 反應(yīng)堆中的輻射來源反應(yīng)堆中的輻射來源 帶電粒子帶電粒子、射線，來自于衰變過程）射線，來自于衰變過程） 中子來源于裂變和中子核反應(yīng)）中子來源于裂變和中子核反應(yīng)） 射線來源于裂變、衰變等）射線來源于裂變、衰變等） 裂變碎片裂變反應(yīng)）裂變碎片裂變反應(yīng)）輻照效應(yīng)是特定物質(zhì)在特定輻照條件下的效應(yīng)輻照效應(yīng)是特定物質(zhì)在特定輻照條件下的效應(yīng) 輻照效應(yīng)之帶電粒子輻照效應(yīng)之帶電粒子 作用類型：作用類型： 電離和激發(fā)碰撞損失過程，速度不太高粒子電離和激發(fā)碰撞損失過程，速度不太高粒子） 軔致輻射輻射損能過程，高速粒子）軔致輻射輻射損能過

3、程，高速粒子） 射線特點(diǎn)射線特點(diǎn): 射程最短比較射程最短比較射線和射線和射線）射線） 射線特點(diǎn)：射線特點(diǎn)： 射程較短相較射程較短相較射線）射線） 輻照效應(yīng)之輻照效應(yīng)之射線射線 射線特點(diǎn)：射線特點(diǎn)： 射程較長相較射程較長相較射線）射線） 作用形式復(fù)雜：光電效應(yīng)；康普頓作用形式復(fù)雜：光電效應(yīng)；康普頓-吳有訓(xùn)散射吳有訓(xùn)散射效應(yīng)和電子對(duì)效應(yīng)效應(yīng)和電子對(duì)效應(yīng) 與物質(zhì)相互作用機(jī)理：共價(jià)鍵化合物，離子鍵與物質(zhì)相互作用機(jī)理：共價(jià)鍵化合物，離子鍵化合物及金屬鍵化合物及金屬鍵 輻照效應(yīng)之中子輻照效應(yīng)之中子(1) 中子與物質(zhì)相互作用類型：中子與物質(zhì)相互作用類型： 彈性碰撞，非彈性碰撞，輻射俘獲，放出帶電彈性碰撞，非

4、彈性碰撞，輻射俘獲，放出帶電粒子反應(yīng)粒子反應(yīng)n,p)，放出幾個(gè)中子的反應(yīng)高能，放出幾個(gè)中子的反應(yīng)高能中子反應(yīng)），裂變反應(yīng)中子反應(yīng)），裂變反應(yīng) 中子輻照損傷原理中子輻照損傷原理 位移能，原子位移能，原子-空穴空穴 中子與物質(zhì)相互作用特點(diǎn)快中子）中子與物質(zhì)相互作用特點(diǎn)快中子） 輻照效應(yīng)之中子輻照效應(yīng)之中子(2) 輻照效應(yīng)之中子輻照效應(yīng)之中子(3) 輻照損傷程度與材料及輻照溫度有關(guān)輻照損傷程度與材料及輻照溫度有關(guān) 中子輻照損傷通常產(chǎn)生脆化效應(yīng)，即硬度增加中子輻照損傷通常產(chǎn)生脆化效應(yīng)，即硬度增加，延性下降，延性下降 輻照腫脹及定向生長反應(yīng)堆內(nèi)效應(yīng)）輻照腫脹及定向生長反應(yīng)堆內(nèi)效應(yīng)） 提高輻照溫度可減輕損

5、傷，即提高輻照溫度可減輕損傷，即“退火效應(yīng)退火效應(yīng) 輻照效應(yīng)之裂變碎片輻照效應(yīng)之裂變碎片 裂變碎片本身不屬于輻射效應(yīng)范疇裂變碎片本身不屬于輻射效應(yīng)范疇 裂變碎片可在裂變區(qū)域附近產(chǎn)生近似快中子的裂變碎片可在裂變區(qū)域附近產(chǎn)生近似快中子的“輻照效應(yīng)輻照效應(yīng)”，即形成核燃料內(nèi)原子位移，即形成核燃料內(nèi)原子位移 雜化效應(yīng)及腫脹效應(yīng)兩種效應(yīng)）雜化效應(yīng)及腫脹效應(yīng)兩種效應(yīng)）二、核燃料二、核燃料反應(yīng)堆中使用的裂變物質(zhì)及可轉(zhuǎn)換物質(zhì)的統(tǒng)稱主要指U，Pu易裂變同位素其功用主要用來產(chǎn)生裂變并放出裂變能量核燃料核燃料其功用主要用來產(chǎn)生裂變并放出裂變能量良好的熱物性，例如熱導(dǎo)率高抗輻照能力強(qiáng)，燃耗深燃料的化學(xué)穩(wěn)定性好，燃料與

6、包殼、冷卻劑的相容性好核燃料的一般性要求核燃料的一般性要求熔點(diǎn)高，且在低于熔點(diǎn)時(shí)不發(fā)生有害相變機(jī)械性能好，易于加工核燃料的存在形態(tài)核燃料的存在形態(tài) 液態(tài) 固態(tài) 金屬，陶瓷，彌散體型中心中心包覆顆粒包覆顆粒燃料元件燃料元件金屬型燃料金屬型燃料1）金屬型燃料的類型金屬型燃料的類型主要包括金屬鈾及鈾合金主要包括金屬鈾及鈾合金金屬鈾的物理化學(xué)性質(zhì)金屬鈾的物理化學(xué)性質(zhì)銀灰色金屬，密度高銀灰色金屬，密度高(18.6),熱導(dǎo)率高熱導(dǎo)率高,工藝性工藝性能好能好,熔點(diǎn)熔點(diǎn)1133 ,沸點(diǎn)沸點(diǎn)3600 （優(yōu)點(diǎn)）（優(yōu)點(diǎn)）化學(xué)活性強(qiáng)，與大多數(shù)非金屬反應(yīng)化學(xué)活性強(qiáng)，與大多數(shù)非金屬反應(yīng)(缺陷缺陷)、相的轉(zhuǎn)變溫度相的轉(zhuǎn)變溫

7、度662，772金屬型燃料金屬型燃料2）金屬鈾的工作條件限制金屬鈾的工作條件限制由于相變限制，只能低于由于相變限制，只能低于665輻照長大，定向長大限制低溫工作環(huán)境輻照長大，定向長大限制低溫工作環(huán)境輻照腫脹現(xiàn)象，較高溫度條件下的金屬燃料輻照腫脹現(xiàn)象，較高溫度條件下的金屬燃料變形變形適宜用于生產(chǎn)堆(堆芯溫度較低，中子注量率不太高)金屬型燃料金屬型燃料4）合金鈾的相關(guān)說明合金鈾的相關(guān)說明主要合金形式有鈾與鋯、鉻、鉬、鈮、鋁等主要合金形式有鈾與鋯、鉻、鉬、鈮、鋁等與金屬鈾相比，合金具有較好的機(jī)械性能、良好的與金屬鈾相比，合金具有較好的機(jī)械性能、良好的抗腐蝕性能，對(duì)抗輻射性能有所改善抗腐蝕性能，對(duì)抗輻

8、射性能有所改善加入合金元素會(huì)使中子吸收增加，需使用富集鈾加入合金元素會(huì)使中子吸收增加，需使用富集鈾鋯的熔點(diǎn)高，中子吸收截面小，抗輻射性能好，同鋯的熔點(diǎn)高，中子吸收截面小，抗輻射性能好，同時(shí)鈾在鋯中的溶解度大鈾鋯合金時(shí)鈾在鋯中的溶解度大鈾鋯合金 ）熔點(diǎn)高，熱導(dǎo)率高，便于軋制成型熔點(diǎn)高，熱導(dǎo)率高，便于軋制成型鈾鋯鈾鋯2在高燃耗情況下輻照穩(wěn)定性不好西平港在高燃耗情況下輻照穩(wěn)定性不好西平港）美國鈾鋯钚合金美國鈾鋯钚合金 可用于快中子增殖可用于快中子增殖金屬型燃料的性能對(duì)比表金屬型燃料的性能對(duì)比表陶瓷型燃料陶瓷型燃料p陶瓷燃料是指鈾、钚、釷的氧化物、碳化物和氮化物p常見的陶瓷燃料有UO2，PuO2，UC

9、，UNp陶瓷型燃料主要用來解決金屬或合金型燃料工作溫度限制相變及腫脹效應(yīng)）p無同素異形體，只有一種結(jié)晶形態(tài)面心立方），各向同性，燃耗深p熔點(diǎn)高；未經(jīng)輻照的測定值280515p具有與高溫水、鈉等的良好相容性，耐腐蝕能力好p與包殼相容性良好陶瓷型核燃料優(yōu)點(diǎn)陶瓷型核燃料優(yōu)點(diǎn)UO2陶瓷型核燃料缺點(diǎn)陶瓷型核燃料缺點(diǎn)UO2 二氧化鈾的導(dǎo)熱性能較差，熱導(dǎo)率低二氧化鈾的導(dǎo)熱性能較差，熱導(dǎo)率低 傳熱負(fù)荷一定時(shí)，燃料徑向溫度梯度大傳熱負(fù)荷一定時(shí)，燃料徑向溫度梯度大 在熱梯度或熱震作用下可能導(dǎo)致脆化在熱梯度或熱震作用下可能導(dǎo)致脆化陶瓷型核燃料陶瓷型核燃料-UO2的輻照效應(yīng)的輻照效應(yīng) 陶瓷型核燃料早期會(huì)出現(xiàn)密實(shí)化效應(yīng)

10、陶瓷型核燃料早期會(huì)出現(xiàn)密實(shí)化效應(yīng) 可能導(dǎo)致塌陷可能導(dǎo)致塌陷 線功率密度增加，芯塊溫度升高線功率密度增加，芯塊溫度升高 芯塊縮小，氣體間隙變大，導(dǎo)熱性能下降，溫芯塊縮小，氣體間隙變大，導(dǎo)熱性能下降，溫度升高度升高 長期運(yùn)行可能引起的裂變氣體釋放和腫脹效應(yīng)長期運(yùn)行可能引起的裂變氣體釋放和腫脹效應(yīng) 臨界燃耗主要與燃料自身密度相關(guān)臨界燃耗主要與燃料自身密度相關(guān)二氧化鈾的典型物性二氧化鈾的典型物性1） 密度 理論密度10.98g/cm3 振動(dòng)密實(shí)密度：大約為理論密度的82-91% 燒結(jié)二氧化鈾燃料芯塊密度約為理論密度的88-98% 一般取95% 熱導(dǎo)率 與溫度、燃料密度孔隙率）、燃耗、氧鈾比等有關(guān) 熱導(dǎo)

11、率計(jì)算67t)exp(0.0018101.216t46440.4K49567t)exp(0.0018101.2160.0191K495100pK11K二氧化鈾的典型物性二氧化鈾的典型物性2） 熱導(dǎo)率續(xù)） 燃耗對(duì)熱導(dǎo)率的影響 低溫時(shí)隨燃耗升高熱導(dǎo)率下降 高溫時(shí)變化不大 熱導(dǎo)率隨氧鈾比增加而減小二氧化鈾的典型物性二氧化鈾的典型物性3）p比熱性能比熱性能p二氧化鈾比熱可表示為溫度函數(shù)，如：二氧化鈾比熱可表示為溫度函數(shù)，如：262p273.15)/(t106t102.51304.38c4103623pt101.59t101.12t102.712.789t712.25c122625t28001226t單

12、位J/(kg)二氧化鈾的制備二氧化鈾的制備 制備流程： 氣象UF6 水解 與稀氨水溶液反應(yīng) 重鈾酸銨沉淀 煅燒 UO3 復(fù)原 UO2 生坯 燒結(jié)芯塊壓制生坯壓制生坯UO2粉末粉末UO3ADUUO2F2UF6UO2芯塊其他陶瓷型燃料性質(zhì)其他陶瓷型燃料性質(zhì) 二氧化鈾是目前水冷反應(yīng)堆廣泛使用的燃料二氧化鈾是目前水冷反應(yīng)堆廣泛使用的燃料 陶瓷混合物是常用的快堆燃料陶瓷混合物是常用的快堆燃料 混合氧化物混合氧化物UO2+PuO2） 混合碳化物混合碳化物UC+PuC） 混合氮化物混合氮化物UN+PuN）混合物燃料性質(zhì)比較混合物燃料性質(zhì)比較 混合氧化物 熔點(diǎn)高 輻射穩(wěn)定性好 與冷卻劑、包殼相容性好 金屬原子

13、密度低 快堆中氧有慢化作用 熱導(dǎo)率低 深度燃耗腫脹 碳化物U） 高溫化學(xué)穩(wěn)定性好 熱導(dǎo)率高 理論密度大 金屬原子數(shù)密度大，中子效率高，增殖比大，倍增時(shí)間少 易于與水反應(yīng) 高溫條件下腫脹 氮化物U） 抗輻照能力好 抗高溫蠕變強(qiáng) 熱導(dǎo)率高 含U密度最高 增殖比大 與包殼相容性好 腫脹較弱 高溫易分解 N對(duì)中子吸收典型陶瓷燃料性能典型陶瓷燃料性能彌散體型燃料彌散體型燃料 彌散型燃料是由二氧化鈾或碳化鈾等陶瓷燃料顆粒，依照所需的物理性質(zhì)彌散在金屬、非金屬或陶瓷基體上所組成的燃料型式。 例如Al，不銹鋼，Zr，石墨等基體中心中心包覆顆粒包覆顆粒燃料元件燃料元件彌散體型燃料彌散相要求彌散體型燃料彌散相要求

14、高濃縮性高濃縮性強(qiáng)度好強(qiáng)度好在加工及運(yùn)行環(huán)境下，與基體相容性好在加工及運(yùn)行環(huán)境下，與基體相容性好非裂變中子吸收截面低非裂變中子吸收截面低抗輻照性能好抗輻照性能好彌散體型燃料基體相要求彌散體型燃料基體相要求運(yùn)行范圍內(nèi)有足夠的蠕變強(qiáng)度和韌性運(yùn)行范圍內(nèi)有足夠的蠕變強(qiáng)度和韌性中子吸收截面低，抗輻照能力強(qiáng)中子吸收截面低，抗輻照能力強(qiáng)熱導(dǎo)率高熱導(dǎo)率高熱膨脹系數(shù)低，并與燃料的膨脹性能相似熱膨脹系數(shù)低，并與燃料的膨脹性能相似與冷卻劑材料的相容性好與冷卻劑材料的相容性好在使用和加工溫度條件下，不析出新相在使用和加工溫度條件下，不析出新相彌散體型燃料特點(diǎn)彌散體型燃料特點(diǎn) 陶瓷燃料顆粒的尺寸與顆粒之間的間距均遠(yuǎn)大于裂變陶瓷燃料顆粒的尺寸與顆粒之間的間距均遠(yuǎn)大于裂變產(chǎn)物的