核反应堆结构与材料材料.ppt

第五章 核反应堆材料
王建军
wang-******@
电话：82569655
Date
1
精选课件
核反应堆中对材料的一般性要求
通用要求
机械强度，抗腐蚀性，可加工性，导热性能
反应堆内要求
用主要用来产生裂变并放出裂变能量
核燃料
其功用主要用来产生裂变并放出裂变能量
Date
11
精选课件
良好的热物性，例如热导率高
抗辐照能力强，燃耗深
燃料的化学稳定性好，燃料与包壳、冷却剂的相容性好
核燃料的一般性要求
熔点高，且在低于熔点时不发生有害相变
机械性能好，易于加工
Date
12
精选课件
核燃料的存在形态
液态
固态
金属，陶瓷，弥散体型
核心
包覆颗粒
燃料元件
Date
13
精选课件
金属型燃料（1）
金属型燃料的类型
主要包括金属铀及铀合金
金属铀的物理化学性质
银灰色金属，密度高(>),热导率高,工艺性能好,熔点1133 ℃,沸点3600 ℃（优点）
化学活性强，与大多数非金属反应(缺点)
α、β、γ相的转变温度662，772
Date
14
精选课件
金属型燃料（2）
金属铀的工作条件限制
由于相变限制，只能低于665℃
辐照长大，定向长大限制低温工作环境
辐照肿胀现象，较高温度条件下的金属燃料变形
适宜用于生产堆(堆芯温度较低，中子注量率不太高)
Date
15
精选课件
金属型燃料（4）
合金铀的相关说明
主要合金形式有铀与锆、铬、钼、铌、铝等
与金属铀相比，合金具有较好的机械性能、良好的抗腐蚀性能，对抗辐射性能有所改善
加入合金元素会使中子吸收增加，需使用富集铀
锆的熔点高，中子吸收截面小，抗辐射性能好，同时铀在锆中的溶解度大（铀－锆合金 ）
熔点高，热导率高，便于轧制成型
铀－锆－2在高燃耗情况下辐照稳定性不好（西平港）
美国铀－锆－钚合金 可用于快中子增殖
Date
16
精选课件
金属型燃料的性能对比表
Date
17
精选课件
陶瓷型燃料
陶瓷燃料是指铀、钚、钍的氧化物、碳化物和氮化物
常见的陶瓷燃料有UO2，PuO2，UC，UN
陶瓷型燃料主要用来解决金属或合金型燃料工作温度限制（相变及肿胀效应）
无同素异形体，只有一种结晶形态（面心立方），各向同性，燃耗深
熔点高；未经辐照的测定值2805±15℃
具有与高温水、钠等的良好相容性，耐腐蚀能力好
与包壳相容性良好
陶瓷型核燃料优点UO2
Date
18
精选课件
陶瓷型核燃料缺点UO2
二氧化铀的导热性能较差，热导率低
传热负荷一定时，燃料径向温度梯度大
在热梯度或热震作用下可能导致脆化
Date
19
精选课件
陶瓷型核燃料-UO2的辐照效应
陶瓷型核燃料早期会出现密实化效应
可能导致塌陷
线功率密度增加，芯块温度升高
芯块缩小，气体间隙变大，导热性能下降，温度升高
长期运行可能引起的裂变气体释放和肿胀效应
临界燃耗主要与燃料自身密度相关
Date
20
精选课件
二氧化铀的典型物性（1）
密度

振动密实密度：大约为理论密度的82-91%
烧结二氧化铀燃料芯块密度约为理论密度的88-98%
一般取95%
热导率
与温度、燃料密度（孔隙率）、燃耗、氧铀比等有关
热导率计算
Date
21
精选课件
二氧化铀的典型物性（2）
热导率（续）
燃耗对热导率的影响
低温时随燃耗升高热导率下降
高温时变化不大
热导率随氧铀比增加而减小
Date
22
精选课件
二氧化铀的典型物性（3）
比热性能
二氧化铀比热可表示为温度函数，如：
单位J/(kg℃)
Date
23
精选课件
二氧化铀的制备
制备流程：
气象UF6 水解
与稀氨水溶液反应 重铀酸铵沉淀 煅烧
UO3 还原 UO2 生坯 烧结芯块
压制生坯
UO2粉末
UO3
ADU
UO2F2
UF6
UO2芯块
Date
24
精选课件
其他陶瓷型燃料性质
二氧化铀是目前水冷反应堆广泛使用的燃料
陶瓷混合物是常用的快堆燃料
混合氧化物（UO2+PuO2）
混合碳化物（UC+PuC）
混合氮化物（UN+PuN）
Date
25
精选课件
混合物燃料性质比较
混合氧化物
熔点高
辐射稳定性好
与冷却剂、包壳相容性好
金属原子密度低
快堆中氧有慢化作用
热导率低
深度燃耗肿胀
碳化物（U）
高温化学稳定性好
热导率高
理论密度大
金属原子数密度大，中子效率高，增殖比大，倍增时间少
易于与水反应
高温条件下肿胀
氮化