第二章核反應(yīng)堆材料詳解演示文稿

第二章核反應(yīng)堆材料詳解演示文稿當(dāng)前第1頁\共有36頁\編于星期三\8點(diǎn)優(yōu)選第二章核反應(yīng)堆材料當(dāng)前第2頁\共有36頁\編于星期三\8點(diǎn)反應(yīng)堆材料在核電站中的作用和地位是十分重要的：1.反應(yīng)堆安全的重點(diǎn)是防止堆內(nèi)放射性物質(zhì)外逸；2.核電廠的可靠性和經(jīng)濟(jì)性也與材料密切相關(guān)；3.反應(yīng)堆材料對(duì)各種堆型的設(shè)計(jì)、建造和壽命也有密切的關(guān)系；4.反應(yīng)堆材料對(duì)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。核動(dòng)力設(shè)備的材料必須按照其使用條件合理選用，必須符合國家制定的相應(yīng)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)前言當(dāng)前第3頁\共有36頁\編于星期三\8點(diǎn)核性能力學(xué)性能化學(xué)性能物理性能輻照性能工藝性能經(jīng)濟(jì)性反應(yīng)堆材料的性能應(yīng)滿足下列要求:當(dāng)前第4頁\共有36頁\編于星期三\8點(diǎn)輻照產(chǎn)生的晶體缺陷是引起材料性能變化的根源，由于性能的變化直接關(guān)系到反應(yīng)堆的安全和壽命，因而工程上最關(guān)心的就是輻照效應(yīng)。來源：α、β粒子,γ射線,中子和裂變碎片1.材料的輻照效應(yīng)（1）帶電粒子和γ射線

β粒子、γ射線通過物質(zhì)時(shí)會(huì)引起電離或電子激發(fā)，即它們僅擾動(dòng)物質(zhì)中原子和電子。由于β射線的射程短，因此電離主要是由于γ射線的影響。電離作用使化合物的化學(xué)鍵破壞而分解成單體。由于α粒子在物質(zhì)中射程較短，在熱中子反應(yīng)堆中，它們并不重要，暫不討論。當(dāng)前第5頁\共有36頁\編于星期三\8點(diǎn)在反應(yīng)堆中，中子是引起材料輻照損傷的重要原因，中子進(jìn)入物質(zhì)后與原子發(fā)生碰撞，并把大量能量傳遞給原子，被碰撞的原子離開原來晶體點(diǎn)陣中的平衡位置，成為間隙原子，并留下一個(gè)相應(yīng)的空穴。這樣或多或少都會(huì)在晶體中造成永久的缺陷，從而引起材料物理化學(xué)性質(zhì)的永久性質(zhì)的變化。（2）中子反沖核電離和電子激發(fā)γ射線位移峰快中子激發(fā)的復(fù)核熱中子由于(n,p)(n,α)反應(yīng)產(chǎn)生雜質(zhì)原子位移原子（間隙原子和空穴）吸收(n,p)(n,α)反沖核射程結(jié)束當(dāng)前第6頁\共有36頁\編于星期三\8點(diǎn)

（3）裂變碎片裂變碎片帶有大部分裂變所釋放的能量，因此它也使原子發(fā)生位移。且由于它的射程短，所以原子位移只發(fā)生在發(fā)生裂變附近極小的區(qū)域出現(xiàn)，所形成的位移峰效應(yīng)和快中子相似。當(dāng)前第7頁\共有36頁\編于星期三\8點(diǎn)(1)熱導(dǎo)率高；(2)抗輻照能力強(qiáng)，以達(dá)到高的燃耗；(3)燃料的化學(xué)穩(wěn)定性好。燃料對(duì)冷卻劑具有抗腐蝕能力；(4)熔點(diǎn)高，且在低熔點(diǎn)時(shí)不發(fā)生有害的相變；(5)機(jī)械性能好，易于加工。

核燃料：在反應(yīng)堆內(nèi)能使核裂變反應(yīng)自持的易裂變物質(zhì)?？勺鳛楹巳剂系囊琢炎兾镔|(zhì)是鈾-233、鈾-235和钚-239。其中鈾-235是天然存在的，而鈾-233和钚-239分別由釷-232和鈾-238用人工方法轉(zhuǎn)換而得。2.核燃料

核燃料要求

當(dāng)前第8頁\共有36頁\編于星期三\8點(diǎn)

核燃料分類

當(dāng)前第9頁\共有36頁\編于星期三\8點(diǎn)1）金屬型燃料：金屬鈾的優(yōu)點(diǎn)：鈾的核密度高，導(dǎo)熱性能好。缺點(diǎn)是燃料的工作溫度低化學(xué)活性強(qiáng)，在常溫下也會(huì)與水起劇烈反應(yīng)而產(chǎn)生氫氣，在空氣中會(huì)氫化，粉末狀態(tài)的鈾易著火。在高溫下只能與少數(shù)冷卻劑相容。鈾合金與金屬鈾相比，其優(yōu)點(diǎn)是能改善輻照穩(wěn)定性、增加抗高溫水腐蝕性能。缺點(diǎn)是合金元素會(huì)使中子有害吸收增加，需采用富集鈾。用于動(dòng)力堆的只有鈾-鋯合金。2）陶瓷型燃料：二氧化鈾優(yōu)點(diǎn)：抗輻照能力強(qiáng)，對(duì)裂變氣體包容量大，輻照下尺寸變化很小，因此能達(dá)到高的比燃耗；熔點(diǎn)高，高溫穩(wěn)定性好；具有極好的抗高溫水及鈉的腐蝕能力，與包殼的相容性好。主要缺點(diǎn)是導(dǎo)熱性能差，燃料元件內(nèi)徑向溫度梯度大，所產(chǎn)生的熱應(yīng)力會(huì)使圓柱狀的燃料芯塊產(chǎn)生輻射狀裂縫．同時(shí)晶粒的結(jié)構(gòu)也發(fā)生改變。核燃料特點(diǎn)當(dāng)前第10頁\共有36頁\編于星期三\8點(diǎn)當(dāng)前第11頁\共有36頁\編于星期三\8點(diǎn)當(dāng)前第12頁\共有36頁\編于星期三\8點(diǎn)碳化鈾的優(yōu)點(diǎn)：高溫下化學(xué)穩(wěn)定性好；熱導(dǎo)率比二氧化鈾大許多倍，因此在相當(dāng)高的比功率下也不致造成中心熔化；它的理論密度較高(13．63g／cm3)。因而每單位體積中含鈾量比二氧化鈾多。缺點(diǎn)是容易和水及蒸汽發(fā)生反應(yīng)；包容裂變氣體的能力不如二氧化鈾，因此在高溫下腫脹率大。氮化鈾燃料的優(yōu)點(diǎn)：抗輻照、抗高溫蠕變能力強(qiáng)；熱導(dǎo)率高，和碳化鈾相當(dāng)；含鈾密度比二氧化鈾、碳化鈾都高；在空氣中不發(fā)生明顯的腐蝕；用作快堆構(gòu)料時(shí)增殖比大于二氧化鈾燃料。尤其是成分為(U0.8Pu0.2)N混合氮化物，與包殼的相容性好，腫脹較低。但高溫下容易分解，所以，中心溫度必須小于1250℃。此外，氮對(duì)中子的有害吸收較氧和碳大，使燃料循環(huán)成本增加。當(dāng)前第13頁\共有36頁\編于星期三\8點(diǎn)3）彌散型燃料：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。其優(yōu)點(diǎn)是能比合金燃料承受更高的燃耗。彌散型燃料的基體應(yīng)具有較小的中子吸收截面。在制作過程中應(yīng)使燃料顆粒足夠分散，這樣，裂變碎片造成的輻照損傷區(qū)不會(huì)發(fā)生重疊，從而使燃料元件能在較高的燃耗下個(gè)發(fā)生明顯的腫脹。彌散型燃料的各種性質(zhì)與基體材料類似，通常具有較高的強(qiáng)度，導(dǎo)熱性好，耐冷卻劑腐蝕。但由于彌散型燃料中基體材料所占的百分比大，燃料顆粒彌散后會(huì)受到稀釋，故必須采用富集鈾。當(dāng)前第14頁\共有36頁\編于星期三\8點(diǎn)

核燃料視頻當(dāng)前第15頁\共有36頁\編于星期三\8點(diǎn)對(duì)固體慢化劑要求：(1)中子吸收截面小，質(zhì)量數(shù)低，散射截面大；(2)熱穩(wěn)定性及輻射穩(wěn)定性好；(3)傳熱性能好；(4)密度高；(5)價(jià)廉易得。

對(duì)液體慢化劑的要求：（1）熔點(diǎn)在室溫以下，高溫下蒸汽壓要低（2）良好的傳熱性能（3）良好的熱穩(wěn)定性和輻照穩(wěn)定性（4）原子密度高（5）不腐蝕結(jié)構(gòu)材料3.慢化劑材料此外，對(duì)固體慢化劑還要求結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高，抗腐蝕性能好，易于加工。對(duì)液體慢化劑要求不腐蝕結(jié)構(gòu)材料，熔點(diǎn)在室溫以下，高溫時(shí)具有低的蒸汽壓。當(dāng)前第16頁\共有36頁\編于星期三\8點(diǎn)1）石墨

石墨分為天然石墨和人造石墨兩種。天然石墨:天然石墨是一種非金屬礦物。按其結(jié)晶的形狀分兩種：形狀呈顆粒狀的叫致密土狀石墨;形狀呈魚鱗片的叫鱗片狀石墨。我國的石墨資源以鱗片狀石墨礦為主。

人造石墨:人造石墨是以無煙煤、焦碳、瀝青等原料，經(jīng)過煅燒、粉碎、篩分、成型、石墨化等工藝過程而制成的產(chǎn)品。反應(yīng)堆用石墨的要求：純度高；密度高；石墨化程度高。分類：輻照對(duì)石墨的影響：熱導(dǎo)率下降；尺寸變化；潛能。當(dāng)前第17頁\共有36頁\編于星期三\8點(diǎn)2）鈹鈹是較好的慢化劑和反射層材料。優(yōu)點(diǎn)：慢化能力比石墨大、高溫強(qiáng)度好、熔點(diǎn)、熱導(dǎo)率、比熱都比較高，所以適用于高溫反應(yīng)堆，較強(qiáng)的抗腐蝕能力，尤其在二氧化碳中穩(wěn)定性良好。缺點(diǎn)：較脆、難于加工、輻照性能差，且鈹有毒、價(jià)格貴。3）氧化鈹氧化鈹是陶瓷燃料，熱中子吸收截面小、慢化能力大、熔點(diǎn)高，可在高溫液態(tài)金屬反應(yīng)堆和高溫氣冷堆中做慢化劑、反射層及核材料基體。優(yōu)點(diǎn)：具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性，在高溫液態(tài)金屬、二氧化碳等中都是穩(wěn)定的。缺點(diǎn)：但在濕空氣中加熱會(huì)生成毒性的氫氧化鈹揮發(fā)物，因此比金屬鈹難于加工。當(dāng)前第18頁\共有36頁\編于星期三\8點(diǎn)中子吸收和感生放射性?。桓叩姆悬c(diǎn)和低的熔點(diǎn)；高的比熱，唧送功率低；熱導(dǎo)率大；有良好的熱和輻照穩(wěn)定性；和系統(tǒng)其他材料相容性好；價(jià)格便宜。4.冷卻劑材料冷卻劑材料要求當(dāng)前第19頁\共有36頁\編于星期三\8點(diǎn)常用冷卻劑水水作為冷卻劑和慢化劑主要應(yīng)用于輕水堆沸點(diǎn)低、存在沸騰臨界、在高溫下有腐蝕作用重水重水慢化堆采用重水作冷卻劑的好處是可以減少核燃料的裝載量或降低核燃料的濃縮度價(jià)格昂貴鈉鈉作為冷卻劑主要應(yīng)用于快中子堆。鈉水劇烈反應(yīng)、溫度梯度質(zhì)量遷移、金屬的擴(kuò)散結(jié)合、存在由反應(yīng)性正空泡效應(yīng)引起的控制和安全問題。氣體氣體作為冷卻劑主要應(yīng)用于氣冷堆因運(yùn)行壓力和流量大而消耗功率大、價(jià)格昂貴、泄漏問題。當(dāng)前第20頁\共有36頁\編于星期三\8點(diǎn)包括：燃料包殼材料、堆內(nèi)構(gòu)件材料、反應(yīng)堆壓力容器材料、反應(yīng)堆回路材料、蒸汽發(fā)生器材料、屏蔽材料和安全殼材料。5.結(jié)構(gòu)材料a.鋁、鎂及其合金b.鋯合金c.不銹鋼d.鎳基合金e.碳鋼f.混凝土幾種結(jié)構(gòu)材料當(dāng)前第21頁\共有36頁\編于星期三\8點(diǎn)要求：熱中子吸收截面小、感生放射性小、半衰期短；強(qiáng)度高、塑韌性好，抗腐蝕性強(qiáng)、對(duì)晶間腐蝕、應(yīng)力腐蝕和吸氫不敏感；熱強(qiáng)性、熱穩(wěn)定性和抗輻照性能好；導(dǎo)熱率高、熱膨脹系數(shù)小，與燃料和冷卻劑相容性好；易加工、便于焊接和成本低廉。適宜作包殼用的材料主要有：鋁及鋁合金、鎂合金、鋯合金和奧氏體不銹鋼以及高密度熱解碳等。1）包殼材料

當(dāng)前第22頁\共有36頁\編于星期三\8點(diǎn)功能：支撐燃料組件以及它們的精確定位；為控制棒及堆芯測量裝置和輻照監(jiān)督提供支撐和導(dǎo)向；合理分配冷卻劑流量和減少壓力容器內(nèi)表面的中子注量等。要求：(1)強(qiáng)度高、塑韌性大、高溫性能好；(2)中子吸收截面和中子俘獲截面以及感生放射性；(3)抗輻照、耐腐蝕并與冷卻劑相容性好；(4)熱膨脹系數(shù)小，導(dǎo)熱性能好；(5)易加工、成本低。PWR的堆內(nèi)構(gòu)件用材主要是奧氏體不銹鋼，部分材料采用鎳基合金。2）堆內(nèi)結(jié)構(gòu)材料當(dāng)前第23頁\共有36頁\編于星期三\8點(diǎn)要求：強(qiáng)度高、塑韌性好、抗輻照、耐腐蝕，與冷卻劑相容性好；純凈度高、偏析和夾雜物少、晶粒細(xì)、組織穩(wěn)定；容易冷熱加工，包括焊接性能好和淬透性大；成本低，高溫高壓下使用經(jīng)驗(yàn)豐富等。應(yīng)用輕水動(dòng)力堆壓力容器早期曾采用A212B鍋爐鋼，但為了提高強(qiáng)度、增大淬透性和改善焊接性能以及隨著堆功率增大等原因，它又經(jīng)歷了A212B(板材)—A302B(板材)—A533B(板材)—A5082(鍛材)—A5083(鍛材)的發(fā)展過程。目前國內(nèi)外廣泛采用A5083鋼。3）堆內(nèi)壓力容器材料當(dāng)前第24頁\共有36頁\編于星期三\8點(diǎn)要求：抗應(yīng)力腐蝕、晶間腐蝕和均勻腐蝕的能力強(qiáng)；基體組織穩(wěn)定、夾雜物少，具有足夠的強(qiáng)度、塑性和熱強(qiáng)性；鑄造和焊接性能好，生產(chǎn)工藝成熟；成本低，有類似工況的使用經(jīng)驗(yàn)；應(yīng)用沸水堆多采用AISI304不銹鋼，壓水堆早期曾采用304或316無縫鋼管?，F(xiàn)在多采用含有少量δ鐵素體的AISI316離心鑄造管?？於岩换芈饭艿蓝嘤?16不銹鋼，二回路管道采用304或316不銹鋼。CANDU重水堆的回路管道也是采用奧氏體不銹鋼。4）反應(yīng)堆回路材料當(dāng)前第25頁\共有36頁\編于星期三\8點(diǎn)傳熱管材料要求：熱強(qiáng)性、熱穩(wěn)定性和焊接性能好；基體組織穩(wěn)定，導(dǎo)熱率高、熱膨脹系數(shù)??；抗均勻腐蝕和抗局部腐蝕能力強(qiáng)；具有足夠的塑性和韌性。以便適應(yīng)彎管、脹管的加工和抗振動(dòng)。應(yīng)用壓水堆蒸汽發(fā)生器的傳熱管早期曾采用過18-8型不銹鋼并滿意地使用了三年多。但因奧氏體不銹鋼對(duì)應(yīng)力腐蝕敏感，后被耐熱、耐蝕合金因科鎳—600(Inconel-600)所代替。5）蒸汽發(fā)生器材料當(dāng)前第26頁\共有36頁\編于星期三\8點(diǎn)6）屏蔽材料

用于防止光子、中子和放射性射線或熱輻射危害的材料，稱為屏蔽材料。它大量用在反應(yīng)堆周圍，以阻擋各種射線，防止堆內(nèi)中子和γ射線對(duì)人員的危害、設(shè)備的損傷和測試信號(hào)的干擾等。根據(jù)射線和物質(zhì)相互作用的機(jī)制可知，原子序數(shù)大、密度高的材料常用作屏蔽γ射線，如鉛、鑄鐵和重混凝土等；原子序數(shù)小，密度低的材料，如石墨、石蠟和輕水等常用作屏蔽中子。但對(duì)高能中子也常用重金屬或不銹鋼作屏蔽材料，利用它們對(duì)高能中子的非彈性散射吸收中子能量。另外還常用硼、三氧化二硼或碳化硼的形式與中子屏蔽材料組合使用，以減少(n，γ)反應(yīng)的放射源強(qiáng)度。當(dāng)前第27頁\共有36頁\編于星期三\8點(diǎn)安全殼的體積很大，直徑約為40m，高60m左右。內(nèi)層的鋼密封襯是在現(xiàn)場組裝和焊接的，焊前無法預(yù)熱、焊后難以進(jìn)行熱處理。所以要求材料焊接性好、雜質(zhì)少、強(qiáng)度高、塑韌性大。安全殼材料多采用碳錳鋼，如A516，16Mn和15MnNi63鋼等。當(dāng)殼體厚度超過38mm時(shí)，為了提高淬透性，改善強(qiáng)度和韌性以及焊接性能，需采用低合金高強(qiáng)度鋼A537或A387。7）安全殼材料當(dāng)前第28頁\共有36頁\編于星期三\8點(diǎn)控制材料是實(shí)現(xiàn)反應(yīng)堆的可調(diào)功能的材料，其特點(diǎn)是中子吸收截面大，對(duì)反應(yīng)推的正反應(yīng)性有抑制、釋放和調(diào)節(jié)的作用。能有效地吸收中子外，能抗腐蝕；在運(yùn)行的溫度和輻照條件下具有化學(xué)和尺寸穩(wěn)定性；有足夠的機(jī)械強(qiáng)度；有良好的熱傳導(dǎo)性以把吸收中子反應(yīng)所產(chǎn)生的熱量導(dǎo)出；價(jià)廉易得，容易加工。常用的控制材料是鉿、鎘、銀-銦-鎘、硼及釓、釤等稀土元素。6.控制材料控制材料要求當(dāng)前第29頁\共有36頁\編于星期三\8點(diǎn)鎘鎘具有很高的熱中子吸收截面，而且價(jià)格也夠便宜，但由于熔點(diǎn)低，在中子能量低于0.18eV時(shí)吸收截面很快下降，因此只能用于低溫的研究性反應(yīng)堆中。銀-銦-鎘把熱中子吸收截面打的銦、銀制成合金，具有很強(qiáng)的中子吸收能力。絕大多數(shù)反應(yīng)堆都用這種合金做吸收體。它易于加工，有足夠的強(qiáng)度，但在含硼壓水堆中抗腐蝕性不夠理想。硼熱中子反應(yīng)堆中控制棒和可燃毒物多用含硼材料。天然硼有兩種同位素——硼-10和硼-11，吸收中子主要依靠硼-10。所以把材料中的硼-10富集可提高控制效率。其缺點(diǎn)是吸收中子后產(chǎn)生氦氣，產(chǎn)生的氦氣會(huì)使材料體積膨脹，尤其在高燃耗時(shí)輻照損傷更為嚴(yán)重。硼的應(yīng)用：將碳化硼做成芯塊后裝入不銹鋼管在組合十字形控棒或裝配成棒束型控制棒；在壓水堆中用作化學(xué)補(bǔ)償控制;補(bǔ)償反應(yīng)堆剩余反應(yīng)性。主要控制材料特點(diǎn)當(dāng)前第30頁\共有36頁\編于星期三\8點(diǎn)鉿鉿是做水堆控制棒的最好材料。特點(diǎn)：（1）具有相當(dāng)?shù)臒嶂凶游占按蟮某瑹嶂凶游战孛妫?）鉿的四種同位素都有較大吸收截面（3）能以金屬形式且沒有包殼情況下應(yīng)用（4）在高溫水、氦、鈉中都有很好的抗腐蝕性能（5）熔點(diǎn)高、耐熱性好（6）有足夠的機(jī)械強(qiáng)度，滿意的焊接性能和加工性能（7）鉿稀少而昂貴，因而限制了在民用堆上的應(yīng)用稀土元素稀土元素有大的熱中子吸收截面，也有較大的超熱吸收截面。由于稀土元素