核反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)與材料材料課件

第五章核反應(yīng)堆材料王建軍wang-jianjun@電話：825696552023/8/131核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院第五章核反應(yīng)堆材料王建軍2023/8/11核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院核反應(yīng)堆中對材料的一般性要求通用要求機械強度，抗腐蝕性，可加工性，導(dǎo)熱性能反應(yīng)堆內(nèi)要求抗輻照性能與中子相互作用2023/8/132核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院核反應(yīng)堆中對材料的一般性要求通用要求2023/8/12核科學(xué)核反應(yīng)堆相關(guān)材料按照功用可大致分為：核燃料材料——提供核裂變慢化劑材料——熱中子反應(yīng)堆必須冷卻劑材料——帶走所產(chǎn)生的熱能結(jié)構(gòu)材料——實現(xiàn)功能性控制材料——控制核反應(yīng)堆2023/8/133核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院核反應(yīng)堆相關(guān)材料按照功用可大致分為：2023/8/13核科學(xué)一、材料的輻照效應(yīng)反應(yīng)堆中的輻射來源帶電粒子（α、β射線，來自于衰變過程）中子（來源于裂變和中子核反應(yīng)）γ射線（來源于裂變、衰變等）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)2023/8/134核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院一、材料的輻照效應(yīng)反應(yīng)堆中的輻射來源輻照效應(yīng)是特定物質(zhì)在特定輻照效應(yīng)之帶電粒子作用類型：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）α射線特點:射程最短（比較β射線和γ射線）β射線特點：射程較短（相較γ射線）2023/8/135核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院輻照效應(yīng)之帶電粒子2023/8/15核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院輻照效應(yīng)之γ射線γ射線特點：射程較長（相較γ射線）作用形式復(fù)雜：光電效應(yīng)；康普頓-吳有訓(xùn)散射效應(yīng)和電子對效應(yīng)與物質(zhì)相互作用機理：共價鍵化合物，離子鍵化合物及金屬鍵2023/8/136核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院輻照效應(yīng)之γ射線2023/8/16核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院輻照效應(yīng)之中子(1)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，放出帶電粒子反應(yīng)（n,p)，放出幾個中子的反應(yīng)（高能中子反應(yīng)），裂變反應(yīng)中子輻照損傷原理位移能，原子-空穴中子與物質(zhì)相互作用特點（快中子）2023/8/137核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院輻照效應(yīng)之中子(1)2023/8/17核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院輻照效應(yīng)之中子(2)2023/8/138核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院輻照效應(yīng)之中子(2)2023/8/18核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院輻照效應(yīng)之中子(3)輻照損傷程度與材料及輻照溫度有關(guān)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傷，即“退火”效應(yīng)2023/8/139核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院輻照效應(yīng)之中子(3)2023/8/19核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院輻照效應(yīng)之裂變碎片裂變碎片本身不屬于輻射效應(yīng)范疇裂變碎片可在裂變區(qū)域附近產(chǎn)生近似快中子的“輻照效應(yīng)”，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)）2023/8/1310核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院輻照效應(yīng)之裂變碎片2023/8/110核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院二、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其功用主要用來產(chǎn)生裂變并放出裂變能量2023/8/1311核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院二、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，良好的熱物性，例如熱導(dǎo)率高抗輻照能力強，燃耗深燃料的化學(xué)穩(wěn)定性好，燃料與包殼、冷卻劑的相容性好核燃料的一般性要求熔點高，且在低于熔點時不發(fā)生有害相變機械性能好，易于加工2023/8/1312核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院良好的熱物性，例如熱導(dǎo)率高抗輻照能力強，燃耗深燃料的化學(xué)穩(wěn)定核燃料的存在形態(tài)液態(tài)固態(tài)金屬，陶瓷，彌散體型核心包覆顆粒燃料元件2023/8/1313核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院核燃料的存在形態(tài)液態(tài)核心包覆顆粒燃料元件2023/8/113金屬型燃料（1）金屬型燃料的類型主要包括金屬鈾及鈾合金金屬鈾的物理化學(xué)性質(zhì)銀灰色金屬，密度高(>18.6),熱導(dǎo)率高,工藝性能好,熔點1133℃,沸點3600℃（優(yōu)點）化學(xué)活性強，與大多數(shù)非金屬反應(yīng)(缺點)α、β、γ相的轉(zhuǎn)變溫度662，7722023/8/1314核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院金屬型燃料（1）金屬型燃料的類型2023/8/114核科學(xué)與金屬型燃料（2）金屬鈾的工作條件限制由于相變限制，只能低于665℃輻照長大，定向長大限制低溫工作環(huán)境輻照腫脹現(xiàn)象，較高溫度條件下的金屬燃料變形適宜用于生產(chǎn)堆(堆芯溫度較低，中子注量率不太高)2023/8/1315核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院金屬型燃料（2）金屬鈾的工作條件限制適宜用于生產(chǎn)堆(堆芯溫度金屬型燃料（4）合金鈾的相關(guān)說明主要合金形式有鈾與鋯、鉻、鉬、鈮、鋁等與金屬鈾相比，合金具有較好的機械性能、良好的抗腐蝕性能，對抗輻射性能有所改善加入合金元素會使中子吸收增加，需使用富集鈾鋯的熔點高，中子吸收截面小，抗輻射性能好，同時鈾在鋯中的溶解度大（鈾－鋯合金）熔點高，熱導(dǎo)率高，便于軋制成型鈾－鋯－2在高燃耗情況下輻照穩(wěn)定性不好（西平港）美國鈾－鋯－钚合金可用于快中子增殖2023/8/1316核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院金屬型燃料（4）合金鈾的相關(guān)說明2023/8/116核科學(xué)與金屬型燃料的性能對比表2023/8/1317核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院金屬型燃料的性能對比表2023/8/117核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院陶瓷型燃料陶瓷燃料是指鈾、钚、釷的氧化物、碳化物和氮化物常見的陶瓷燃料有UO2，PuO2，UC，UN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)）無同素異形體，只有一種結(jié)晶形態(tài)（面心立方），各向同性，燃耗深熔點高；未經(jīng)輻照的測定值2805±15℃具有與高溫水、鈉等的良好相容性，耐腐蝕能力好與包殼相容性良好陶瓷型核燃料優(yōu)點UO22023/8/1318核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院陶瓷型燃料陶瓷燃料是指鈾、钚、釷的氧化物、碳化物和氮化物無同陶瓷型核燃料缺點UO2二氧化鈾的導(dǎo)熱性能較差，熱導(dǎo)率低傳熱負(fù)荷一定時，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2023/8/1319核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院陶瓷型核燃料缺點UO2二氧化鈾的導(dǎo)熱性能較差，熱導(dǎo)率低202陶瓷型核燃料-UO2的輻照效應(yīng)陶瓷型核燃料早期會出現(xiàn)密實化效應(yīng)可能導(dǎo)致塌陷線功率密度增加，芯塊溫度升高芯塊縮小，氣體間隙變大，導(dǎo)熱性能下降，溫度升高長期運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)2023/8/1320核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院陶瓷型核燃料-UO2的輻照效應(yīng)陶瓷型核燃料早期會出現(xiàn)密實化效二氧化鈾的典型物性（1）密度理論密度10.98g/cm3振動密實密度：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)率計算2023/8/1321核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院二氧化鈾的典型物性（1）密度熱導(dǎo)率2023/8/121核科學(xué)二氧化鈾的典型物性（2）熱導(dǎo)率（續(xù)）燃耗對熱導(dǎo)率的影響低溫時隨燃耗升高熱導(dǎo)率下降高溫時變化不大熱導(dǎo)率隨氧鈾比增加而減小2023/8/1322核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院二氧化鈾的典型物性（2）熱導(dǎo)率（續(xù)）2023/8/122核科二氧化鈾的典型物性（3）比熱性能二氧化鈾比熱可表示為溫度函數(shù)，如：單位J/(kg℃)2023/8/1323核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院二氧化鈾的典型物性（3）比熱性能單位J/(kg℃)2023/二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

還原UO2

生坯燒結(jié)芯塊壓制生坯UO2粉末UO3ADUUO2F2UF6UO2芯塊2023/8/1324核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院二氧化鈾的制備制備流程：壓制生坯UO2粉末UO3ADUUO2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）2023/8/1325核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院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20混合物燃料性質(zhì)比較混合氧化物熔點高輻射穩(wěn)定性好與冷卻劑、包殼相容性好金屬原子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對中子吸收2023/8/1326核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院混合物燃料性質(zhì)比較混合氧化物碳化物（U）氮化物（U）2023典型陶瓷燃料性能2023/8/1327核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院典型陶瓷燃料性能2023/8/127核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院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，石墨等基體核心包覆顆粒燃料元件2023/8/1328核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院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，依彌散體型燃料彌散相要求高濃縮性強度好在加工及運行環(huán)境下，與基體相容性好非裂變中子吸收截面低抗輻照性能好2023/8/1329核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院彌散體型燃料彌散相要求高濃縮性2023/8/129核科學(xué)與技彌散體型燃料基體相要求運行范圍內(nèi)有足夠的蠕變強度和韌性中子吸收截面低，抗輻照能力強熱導(dǎo)率高熱膨脹系數(shù)低，并與燃料的膨脹性能相似與冷卻劑材料的相容性好在使用和加工溫度條件下，不析出新相2023/8/1330核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院彌散體型燃料基體相要求運行范圍內(nèi)有足夠的蠕變強度和韌性202彌散體型燃料特點