反應(yīng)堆材料第一章序言課件

1反應(yīng)堆材料阮於珍編核工業(yè)研究生部2第一章序言

1.1反應(yīng)堆系統(tǒng)

1.2材料的分類

1.3核電廠主要部件用材

3第一章序言

核反應(yīng)堆用于發(fā)電是和平利用核能的重要手段。材料在核電站的重要作用和地位：反應(yīng)堆安全的重點(diǎn)是防止堆內(nèi)放射性物質(zhì)外逸。核電廠的可靠性和經(jīng)濟(jì)性也與材料密切相關(guān)。反應(yīng)堆材料對各種堆型的設(shè)計、建造和壽命也有密切的關(guān)系。反應(yīng)堆材料對反應(yīng)堆的建設(shè)質(zhì)量和水平以及系列化、商品化和改進(jìn)與發(fā)展都起著重要的先導(dǎo)作用。5材料在堆內(nèi)的工作條件（1）高溫、高壓：結(jié)構(gòu)材料在

PWR條件下，290-320℃，15.5Mpa；

Candu堆條件下，260-300℃，10Mpa。

FBR條件下，550℃-600℃。強(qiáng)輻照：

α、β、γ射線，尤其是高能快中子對結(jié)構(gòu)材料的輻照損傷劑量為幾個～一百以上dpa。主要的輻照效應(yīng)是使材料發(fā)生硬化、脆化、輻照腫脹和輻照蠕變等降級。對燃料的影響主要是固、氣態(tài)裂變產(chǎn)物造成的腫脹及裂變氣體釋放。6材料在堆內(nèi)的工作條件（2）高溫度梯度：在運(yùn)行條件下，燃料棒芯塊中心的溫度可達(dá)2000℃以上，甚至熔融，承受的溫度梯度可達(dá)2000-4000℃/cm，甚至更高。包殼承受的溫度梯度約為1000℃/cm腐蝕環(huán)境：在輻照條件下，冷卻介質(zhì)輻照分解產(chǎn)生腐蝕介質(zhì)；燃料裂變產(chǎn)生有腐蝕性的裂變產(chǎn)物。包殼不僅要承受芯塊和冷卻劑的載荷還要承受與它們的化學(xué)相互作用。71.1反應(yīng)堆系統(tǒng)

核反應(yīng)堆的主要功能如下：

1）導(dǎo)出核裂變釋放的能量來發(fā)電（如核電廠），供熱（如大慶的低溫供熱堆）或用作其他動力（如核潛艇）。

2）增殖、生產(chǎn)新的核燃料（如釷232→鈾233，鈾238→钚239）。

3）生產(chǎn)放射性同位素（如鉬-锝靶件，醫(yī)用同位素等）。

4）作科學(xué)研究和中子的應(yīng)用（如中子衍射，中子摻雜，中子照相等）。9

按使用目的分類：一般可分為生產(chǎn)堆、研究堆、動力堆。1）生產(chǎn)堆－主要用于生產(chǎn)聚變或可裂變核材料如：氚、鈾233和钚239等；2）研究堆－對應(yīng)不同的目的又有不同的種類：如用于研究燃料和堆芯材料用的材料試驗(yàn)堆（如法國的Osillos），用于中子衍射、同位素生產(chǎn)和物理、化學(xué)、生物等多用途的研究堆（如：原子能院的101重水堆，492游泳池堆）等；3）動力堆－是本課程涉及的重點(diǎn)，即利用核反應(yīng)能轉(zhuǎn)換為電能以獲取動力滿足國民經(jīng)濟(jì)各方面的需要的反應(yīng)堆。目前常見的動力堆有沸水堆、壓水堆、重水堆、高溫氣冷堆、快中子增殖堆等。10沸水堆（BWR）

這是一種直接沸騰的水堆。蒸汽從堆芯直接產(chǎn)生，就如一個鍋爐產(chǎn)生蒸汽一樣（見圖1.1）。它的外殼是一個鐘罩型的壓力容器，堆芯燃料組件排列成nxn正方形柵陣。它與壓水堆的區(qū)別是一回路水的壓力比較低（約6.86MPa）。這樣一來，一回路冷卻水就在堆芯內(nèi)發(fā)生沸騰，并將產(chǎn)生的蒸汽直接送汽輪機(jī)發(fā)電。11沸水堆電站系統(tǒng)13壓水堆電站系統(tǒng)14重水堆（PHWR）：

其慢化劑和冷卻劑都是重水。重水堆的結(jié)構(gòu)與輕水堆不同，反應(yīng)堆的堆本體是一個水平放置的圓筒形容器，稱為排管容器（calandria）（見圖1.3）。在容器內(nèi)貫穿許多根水平管道，稱為燃料管道（feulchannel）或壓力管（pressuretube）。排管容器中盛有低溫低壓的重水慢化劑，燃料管道里裝有天然鈾燃料棒束和高溫高壓重水冷卻劑。冷卻劑通過燃料管道將熱量帶出來，經(jīng)蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生蒸汽，推動汽輪機(jī)發(fā)電。它的燃料棒是短型的，可以在不停堆的條件下實(shí)現(xiàn)換料。15CANDU型反應(yīng)堆流程圖

圖1.317快堆電站系統(tǒng)181.2材料的分類1）常規(guī)島用材料：凡是不暴露于放射性環(huán)境或一次水回路的材料都屬于這一類。這類材料與一般工業(yè)用材沒特殊的區(qū)別，

2）反應(yīng)堆核島用材料：由于這部分材料暴露在輻射場內(nèi)，存在核材料的特殊問題。

核燃料：易裂變核素－任何能量中子都能引起核裂變的核素。如鈾-235、鈾-233、钚-239。可轉(zhuǎn)換核素是指某核素在俘獲高能中子（>1MeV）以后會轉(zhuǎn)換為可裂變核素。如釷-232、鈾-238。

非核燃料（又統(tǒng)稱結(jié)構(gòu)材料）：包括包殼材料，結(jié)構(gòu)材料，慢化材料，冷卻劑材料，反射材料，控制材料及屏蔽材料。19

包殼材料：是指包裹核燃料的材料。包殼是燃料與冷卻劑隔離的屏障；也是反應(yīng)堆安全的第一道屏障。它的作用是防止燃料與冷卻劑反應(yīng)；防止裂變產(chǎn)物逃逸；保持燃料棒的完整性。它的運(yùn)行工況非?？量?。要求材料具有小的中子吸收截面、高的導(dǎo)熱系數(shù)、強(qiáng)度好、韌塑性好、耐腐蝕、抗輻照、熱穩(wěn)定性好等。21

慢化劑材料：是指通過中子與材料原子之間的彈性碰撞來降低中子能量，使高能快中子變?yōu)槟鼙涣炎冊臃@，并激發(fā)另一次裂變的熱中子的材料。反射材料：材料的原子與從堆芯逃逸的中子發(fā)生碰撞后，能使從中子無吸收地返回堆芯的材料。22冷卻劑材料：是指將核裂變產(chǎn)生的熱量帶出的一種載熱劑。它可以是氣體也可以是液體?？刂撇牧希菏且环N中子吸收體，用于反應(yīng)堆使其實(shí)現(xiàn)受控核裂變的材料。屏蔽材料：是指用于屏蔽放射線，中子或熱量的材料。屏蔽放射線要用質(zhì)量大、密度大的材料，如鉛、重混凝土等；屏蔽中子要用輕質(zhì)材料，如輕水、石蠟、石墨等；屏蔽熱量要用空腔不銹鋼弧形瓦或增大間距，增厚屏障層來達(dá)到。231.3核電廠主要部件用材（1）燃料：無論是金屬型還是陶瓷型的燃料，必須含有易裂變核素鈾-235、鈾-233或钚-239。金屬型燃料有金屬鈾和鈾合金。陶瓷型燃料有UO2、UC、UN、MOX（UO2+PuO2）。UO2是用途最廣的動力堆燃料。輕水堆燃料的富集度為3%左右；重水堆采用天然鈾為燃料；快堆燃料的富集度為60-70%。25控制棒等控制棒是核反應(yīng)堆實(shí)現(xiàn)可控和自持核裂變不可缺或的重要部件。對控制材料來講，最要緊的還是中子吸收截面大，對壓水堆來說不僅要求對熱中子的吸收，還要求對超熱中子的吸收；同時要求保持毒物效應(yīng)的時間長，含長半衰期的元素少，中子活化截面??；有足夠的強(qiáng)度、塑性、耐腐蝕性、耐輻照；工藝性和經(jīng)濟(jì)性好等。壓水堆電廠采用銀-銦-鎘合金制作控制棒材料，硼酸作主要的輔助控制材料，氧化釓作初裝料的可燃毒物材料。26

壓力容器壓水堆壓力容器是核反應(yīng)堆安全的第二道屏障，堆容器是主冷卻劑回路的一部分。主回路的可靠運(yùn)行，保證著燃料組件的冷卻和完整。因此壓力容器是壓水堆電站最關(guān)鍵的設(shè)備之一，它是一個龐大的不可更換的密封殼體，是關(guān)系到反應(yīng)堆安全和壽命的重要部件。壓水堆電廠的壓力容器采用鎳-錳-鉬低合金碳鋼制作。29

反應(yīng)堆冷卻劑泵(主泵)主泵在高溫、高壓下工作，殼體、葉輪、轉(zhuǎn)子等雖然不直接接受中子輻照，但由于與介質(zhì)接觸，會造成腐蝕，由于活動部件的相互摩擦，會造成磨損，同時由于介質(zhì)的循環(huán)作用，會把磨損或腐蝕的微粒帶進(jìn)堆芯輻照后形成放射性核素，造成很強(qiáng)的放射性。因此對這部分材料的除了機(jī)械性能和工藝性能方面要求外，還要求抗腐蝕，不帶和少帶會造成長壽命核素的元素，以及對堆內(nèi)性能發(fā)生干擾的元素。30沸水堆所用基本材料：壓力殼（pressurevessel）——(Mn-Mo-Ni)低合金碳鋼（lowalloycarbonsteel）燃料（fuel）——二氧化鈾（uraniumdioxideUO2）包殼（cladding）——鋯-2合金（zircaloy-2）控制棒——碳化硼/304不銹鋼（B4C/304SS）

慢化劑，冷卻劑——輕水（H2O）一回路水管——304不銹鋼

蒸汽回路——304，316不銹鋼汽輪機(jī)——鉻-鉬鋼31壓水堆所用材料：

壓力殼——Mn-Mo-Ni低合金碳鋼

燃料——二氧化鈾

包殼——鋯-4合金（Zr-4）

控制棒——銀-銦-鎘合金/316，304不銹鋼（Ag-In-Cd/SS）長期反應(yīng)性控制用硼酸

傳熱管——600，690，800合金

其余與沸水堆同32重水堆所用材料：

壓力管（容納冷卻劑）——鋯鈮合金（Zr-2.5Nb）

排管容器（容納慢化劑）——奧氏體不銹鋼

排管容器管子——鋯-2合金（退火）

燃料——天然豐度的二氧化鈾（naturaluranium）包殼——鋯-4合金，內(nèi)壁涂有石墨層

慢化劑和冷卻劑——重水（D2O）

端屏蔽——奧氏體不銹鋼

嵌入環(huán)、屏蔽板、冷卻水管——碳鋼

中子吸收體——鎘棒

液體注射停堆組件——硝酸釓

調(diào)節(jié)棒——加水不銹鋼管33鈉冷快中子增殖堆所用材料：

燃料——混合氧化鈾钚（钚含量20～30%）

包殼——奧氏體不銹鋼（316SS或316Ti）

元件盒——馬氏體-鐵素體鋼或奧氏體不銹鋼

控制棒——碳化硼（B4C）/300系列不銹鋼

傳熱管——800合金或316SS及304SS

容器材料——316SS及304SS動力堆設(shè)計參數(shù)一覽表BWR,PWR,HPWR,LMFBR3435輕水堆BWR輕水堆PWR重水堆HWR鈉冷快增殖堆LMFBR中子譜熱熱熱快中子通量n/cm2.s熱3×1013快5×1013熱1×1011快8×1015快中子注量n/cm23×10213.5×10173×1023燃耗at.％～3～30.7510慢化劑H2OH2OD2O無冷卻劑H2OH2OD2O液態(tài)鈉燃料UO2UO2

天然豐度的UO2(U,Pu)O2(15~20%Pu加貧UO2)36BWRPWRHWRLMFBR熱功率MW3579341121683000電功率MW117811486381200效率%32.933.529.340回路數(shù)1223一次冷卻劑H2OH2OD2O液態(tài)鈉二次冷卻劑H2OH2O液態(tài)鈉/H2O37BWRPWRHWRLMFBR一回路壓力，MPa7.1715.510.0～0.1入口溫度，℃218286267395出口溫度avg288324310545一回路管道尺寸，mm直徑750壁厚52二回路壓力，MPa5.74.7～0.1/17.7（蒸汽）入口溫度，℃224187345/235出口溫度，℃273260525/487蒸發(fā)器(管板式),m外徑3.67總高度21.5混凝土安全殼內(nèi)的不銹鋼殼直徑56m，壁厚38mm38BWRPWRHWRLMFBR燃料棒與組件燃料UO2UO2天然豐度的UO2(U,Pu)O2(15~20%Pu加貧UO2)直徑（mm）/高度(m)12.27/4.19.5/413.1/0.49*8.65/2.7(活性區(qū));15.8/1.95(軸向增殖區(qū))燃料棒節(jié)距（mm）16.212.614.69.7(活性區(qū))/17.0(軸向增殖區(qū))燃料棒徑向定位格柵格柵墊塊繞絲或格柵包殼材料Zr-2Zr-4Zr-4S.S厚度（mm）0.8130.570.420.7元件盒材料Zr-4無無316SS(或馬氏體－鐵素體不銹鋼)組件棒的排列形式8×8（方形）17×17（方形）同心圓（圓柱形）六角形組件內(nèi)棒數(shù)6428937271(活性區(qū))/91(軸向增殖區(qū))組件內(nèi)燃料棒數(shù)6226437271(活性區(qū))/91(軸向增殖區(qū))控制棒B4C/304SS銀銦鎘/316,304SS鎘棒B4C/316SS39BWRPWRHWRLMFBR設(shè)