核工程材料概述

核反应堆材料
压水堆核电站结构
●核电站原理：核裂变释放出的核能，被载热剂一回路水带出，并经过蒸汽发生器使
二回路水变成蒸汽，蒸汽再驱动汽轮发电机组进行发电。

●反应堆所用的各种材料在成份、工艺、组织和性能上，都比常规电站材料要求严格第一章绪论
●一、. 堆材料在核电站中的作用
●反应堆材料在核电站运行中影响反应堆的安全性和机组寿命；
●反应堆材料对核电站的建设速度、质量、数量和水平都起到重要的作用。

●在核电站的发展和新堆型的开发中，需要材料科学的发展，以大量材料数据作为基
础，开发新材料。

●首先各国反应堆运行经验表明，运行上出现的问题或故障抢修，追究其原因，
多半都与材料有关。

●其次，反应堆材料的工况比较复杂，除受温度、压力和腐蚀介质作用外，还受到中
子辐照，由此而引起的性能恶化，对安全存在威胁。

●第三，如果堆材料的使用性能与工况要求不相匹配或者余量不足，将会使零、部件
失去预定服役效能而引起失效或损坏。

这表明，在设计和建造反应堆过程中，每个部件、每个环节都离不开材料问题。

●第四，从降低成本、延长寿命和改进堆型考虑，必然涉及到合理选材、改进工艺和
开发新材料的问题。

●第五，在核电站的定型化、标准化、系列化和商品化的各阶段中，都需要有大量
材料数据作基础
●二、材料结构
●材料结构是指组成材料的原子（或离子、分子）相互结合的方式或构成的形式以及
结构要素按一定次序的组合、排列及相互间的各种联系。

●三、材料结构的具体内容
● 1.组成材料的原子（或离子、分子）的构造
● 2.组成材料的原子（或离子、分子）间的结合
● 3.组成材料的原子（或离子、分子）的排列
● 4.材料结构内存在的缺陷
●四、材料的性能
● 1.材料的性能是材料结构反作用于环境的能力
● 2.材料的性能是由材料结构所决定的
● 3.材料性能具有多面性
● 4.材料性能是可以改变的
原子——晶格——晶粒——相——组织——金属材料。

1.燃料（核裂变材料）
✓压水堆核电站燃料用的是UO2陶瓷材料。

耐高温
在铀的氧化物中密度最高
抗蚀
抗肿胀
燃料（核裂变材料）
✓燃料组件
先将UO2烧结成圆柱形芯块，再封装在锆－4合金管内组成元件。

然后将元件以n×n组排方式定位在方形格架内
反应堆的裂变场所，即活性区就是由许许多多燃料组件排列而成2.包壳材料（也称元件包壳）
燃料包壳管是反应堆的第一道安全屏障。

作用:
保护燃料不受冷却剂浸蚀
防止裂变产物进人冷却剂回路。

包壳材料（也称元件包壳）
材料应具备下列性能：
(1)中子吸收截面小，导热率好；
(2) 强度高，塑韧性好，耐蚀性强、对应力腐蚀不敏感；
(3)热强性、热稳定性和抗辐照性能好。

PWR元件包壳采用锆合金:
中子吸收截面小
在300℃下具有优良的机械性能和抗水的腐蚀能力
3.反应堆压力容器材料
压力容器是核电站的第二道安全屏障的一部分。

作用之一是在元件一旦破损时，保证放射性物质或气体仍保留在一回路系统内。

广泛采用MnMoNi钢A508a，为防止腐蚀，其内壁堆焊了一层或两层不锈钢里衬。

4.回路材料
●PWR核电站回路系统包括：反应堆、蒸汽发生器、主泵、稳定器和回路管道等(统
称核岛)。

●一回路对反应堆安全十分重要,为防止破坏引起失水事故(LOCA),一回路管道材料
应满足下列要求：
●(1)抗应力腐蚀、抗晶间腐蚀和抗均匀腐蚀能力强
●(2)高、低温强度和塑韧性好
●(3)焊接和铸造性能好
●二回路材料与常规电站大体相同
●低合金钢或2.25Cr-Mo钢
5. 蒸发器材料
●蒸汽发生器结构主要由筒体、管板、水室、汽水分离器、干燥器和倒U形
传热管组成。

●U形管是主要传热构件，多达几千根，总长约70－110公里，以备泄漏的管
子堵塞后，即使在寿期内有上千根停用，仍有足够的传热面积。

●因此传热管材料需具备：
●（1）导热性能好、热膨胀系数小；
●（2）抗应力腐蚀能力强；
●（3）热强性、热稳定性和焊接性能良好；
●（4）塑韧性好，以便制管、弯管和胀管的加工。

●PWR蒸汽发生器传热管早期用In-600，后改用Incolog-800或In-690
6.控制材料
●控制材料的特点是中子吸收截面大，如B4C、Hf、Cd等。

●主要用作控制棒、化学控制和可燃毒物。

●反应堆的功率调节、后备反应性的储备以及开堆、停堆等都需要用
控制材料制成的控制棒、调节棒、可燃毒物等来实现。

7.安全壳
●安全壳是核电站的第三道安全屏障。

●目的：防止当发生强烈地震或失水等严重事故时，保证放射性物质全部保持
在安全壳内，不外逸污染环境。

●安全壳的组装、焊接是现场进行的，而且体积庞大，焊后难以进行热处理。

●要求材料焊接性能好、杂质少、强度高，塑韧性好。

●安全壳材料国外多采用SA516和SA517钢或16Mn钢，也有采用高强度
A543钢的。

8.慢化材料
●目的：将裂变放出的快中子慢化成热中子，以便U235吸收发生核裂变。

●方法：靠非弹性碰撞降低快中子能量。

●慢化材料的特性：质量轻、中子散射截面大，所以多用轻水、重水和石墨等。

9.冷却剂材料
●冷却剂是将核能传给二回水路水的载热剂。

●冷却剂性能：导热好，比热大、流动性好和腐蚀性小。

●常用的冷却剂：轻水、重水、He、CO2和液体金属等。

●压水堆冷却剂与慢化剂合一共用轻水。

10.反射材料
●反射材料的作用：
●减少中子损失，尽量使活性区边界逸出的中子反弹回堆芯。

●材料要求：中子散射截面大，吸收截面小，散射截面大，意味着与中子碰撞
机会多，于是中子回弹到堆芯的几率也大。

●除常用的慢化剂、冷却剂可作反射层材料外，石墨、铍和氧化铍也是较好的
反射材料
11.屏蔽材料
●屏蔽分射线屏蔽、中子屏蔽和热屏蔽三种。

●射线屏蔽主要靠密度大的材料，比如铅、重混凝土可屏蔽高能射线。

●中子屏蔽用轻质材料，比如轻水、石墨和石蜡等。

●热屏蔽用空心腔不锈钢弧型瓦或增厚吊栏或增大压力容器与堆芯之间的距
离达到隔热目的。

七. 反应堆材料的性能要求
1. 机械性能
●强度、塑韧性和热强性高，缺口敏感性和晶体长大倾向性小。

2.工艺性能
●冶炼、铸造、煅压、冷加工和焊接性能都应良好；淬透性大，无时效、回火
脆性和二次硬化以及延迟脆性等倾向。

3.经济性
●工艺简单易行，原材料来源方便，制造成本低廉。

4.核性能
●为减少中子消耗、降低235U的临界质量和浓度，除控制材料外，堆芯所有
结构材料的中子吸收截面都应该小；
●为减少放射性危害，活化截面也应该小，含长半衰期元素少，比如钴。

5.辐照性能
●辐照效应和PCI（芯块与包壳的相互作用）小；杂质和气体含量少，纯洁度
高以及晶粒、沉淀相和偏析小。

辐照期间组织、结构应稳定，尤其Cu、P、
S含量应尽量少。

6.化学性能
●抗腐蚀、抗高温氧化能力强；点腐蚀、晶间腐蚀和应力腐蚀倾向性小。

7.物理性能
●导热率大，热膨胀系数小；
●在满足上述要求基础上，应优先选用工艺成熟，使用经验丰富的材料。

第二章金属学基础知识
一、纯金属的晶体结构
晶体和非晶体两大类
本质区别为：
☆构成晶体的原子、分子或原子集团在空间是按一定的几何规律规则排列的，因而晶体具有一定的熔点，且具有各向异性的特点。

绝大多数的工程材料，如金属及其合金、陶瓷等，天然的岩石、矿物都是晶体。

☆非晶体中的质点是无规排列的，如多数的玻璃和聚合物。

基本概念：
1）阵点或结点:由晶体中原子抽象而成的几何点。

2）平面点阵：阵点在一个平面上规则的排列方式
3）空间点阵:规则分布于三维空间中的阵点所组成的空间图形
4）晶格:用一系列平行线将阵点连接起来，构成空间的格架。

5）晶胞：表示空间点阵几何规律的基本空间单元，一般取最小平行六面体。

6）点阵参数：三条棱边长a、b、c及三个夹角α、β、γ，只要确定了6个参数，阵点在空间的分布规律就完全确定了。

7）晶粒：排列位向相同的无数个晶胞的聚合体称为晶粒。

纯金属通常是由许多取向不同的晶粒组成的，故称为多晶体。

8）晶界：多晶体中晶粒之间边界称为晶界。

为研究方便，把金属原子看作球形，并人为规定与临近的原子是相切的，并将球的半径规定为原子半径
二、实际金属的晶体结构
实际金属结构因金属在凝固、形变、再结晶或同素异型变时，会使原子排列的规律性，在局部区域遭受破坏，从而产生晶格缺陷。

实际晶粒是由许多尺寸很小、位向差不大的微晶块相互镶嵌而成。

亚结构、亚晶、亚晶界所以，实际金属的晶体结构，尽管从整体上看，原子排列仍保持着它固有的规律性，但在局部微区，存在有各式各样的晶体缺陷，（位错、孪晶和堆垛层错等）
基本概念：
1）阵点或结点:由晶体中原子抽象而成的几何点。

2）平面点阵：阵点在一个平面上规则的排列方式
三、金属的典型晶胞结构
☆面心立方晶胞（FCC或A1)
结构特点：
（1）晶胞原子数：一个品胞中所包含的原子数目，为4个
（2）点阵常数a，最小原子间距为
耐热合金多采用FCC结构的奥氏体为基体。

铝，奥氏体不锈钢，镍基合金，Ag-In-Cd均属于FCC
体心立方晶胞（BCC或A2)
结构特点：
（1）晶胞原子数为2个
（2）点阵常数a，最小原子间距为
Cr、Mo、V属此种晶格
密排六方晶格（HCP）
结构特点：在密排六方品格中，金属原子分布在六角晶脑的12个顶角上、上下底面的中心和两底面之间3个均匀分布的空隙中
（1）晶胞原子数为6个
（2）晶格常数a,c；最小原子间距为a
Mg,Cd,Be,C属于HCP
四、金属中的晶体缺陷
1.点缺陷
产生原因：具有足够高能量的原子有可能克服周围原子的束缚，脱离正常的结点位置，移到晶体表面、界面或点阵间隙位置上，在原来的结点位置留下空位。

高能粒子（如快中子）的辐照也会使金属晶体内产生空位和间隙原子，获得巨大能量的原子甚至可再促使其它原子脱位。

• 2. 线缺陷
•线缺陷：在一维方向有较大尺度，而在另外二维方向上尺寸很小的缺陷是线缺陷。

晶体的一部分相对于另一个部分发生了原子的错排，这种缺陷的基本形式是刃型位
错和螺型位错
•刃型位错：它可以看成是在某一晶体水平面以上，多出了一排与之垂直的晶面（或在其下方少了一排原子面），因其形状犹如在晶体中切入一刀刃而得名
△当多余原子面在晶体上半部，称正位错，以符号“┴”表示，
反之称负位错，记为“┬”。

•螺型位错：
•特点是晶体一侧的上下两部分相对错移一个原子间距。

•俯视图在ＡＤ线附近的上下层原子不能对齐而呈螺旋形的排列，故有螺型位错之称，ＡＤ称为位错线。

• 3 面缺陷：晶界、相界、孪晶界、亚晶界和堆垛层错等缺陷的尺寸都是二维的，所以是晶体中面缺陷的实例。

1）晶界：相邻晶粒之间具有一定宽度的过渡界面，厚度约2~10个原子间距的过渡层。

易容纳位错和点缺陷
2）相界具有不同性质的相或不同晶胞结构的晶体之间的分界面称为相界。

相界面依其匹配的规则程度分为共格、半共格和非共格三种。

3）孪晶界：当两个晶体的位向以一个公共晶界面呈镜面对称关系时，称为孪晶界，共格孪晶面是一种特殊的大角度晶界，其界面上点阵自然地完全匹配，不存在点阵畸变，但也有孪晶界不与晶界面相重合的情况，称此为非共格孪晶界。

4）堆垛层错：晶体中原子排列既然是周期的、有规律的，因此由晶格原子组成的晶面，彼此之间必然也是按一定顺序呈周期排列；但由于空位扩散和位错环的崩塌等，往往使晶面堆垛顺序发生混乱。

所以当晶面次序发生了错排，称此现象为堆垛层错.
五、晶面指数和晶向指数
•由于晶体原子排列是周期的、对称的、所以可用晶面和晶向指数表征所有晶面和晶向在各自晶胞中的位置和方向.
•晶格中每条原子列的位向叫晶向
•晶格中任意三个原子组成的一个平面叫晶面
滑移系（滑移面×滑移方向）
当外力超过金属的弹性极限时晶体沿某一特定晶面的相对位移，称为滑移。

一般来讲，滑移总是在原子排列最紧密的晶面上沿着此面中原子排列最紧密的晶向发生。