核能及其材料
能源材料2-核能利用和核材料
历史回顾重要事件
1932：J.Chadwick发现了中子;
1934：F.&I.Joliot-Curie发现人工放射性； 1939：O.Hahn等人发现重核裂变；
1939：N.Bohr等提出液滴模型;
1942：E.Fermi发明热中子链式反应堆； 1945：原子弹试爆成功，并在广岛上空爆炸； 1952：氢弹试爆成功。
美国原子弹突袭广岛和长崎造成了
巨大的毁伤。广岛市区80%的建筑 化为灰烬，64000人丧生，72000人 受伤，伤亡总人数占全市总人口的 53%。长崎市60%的建筑物被摧毁， 伤亡86000人，占全市总人口的 37%。
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历史回顾原子弹
中国第一颗原子弹爆炸蘑菇云发展图
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宇称不守恒，并由吴健雄的实验所证实。
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历史回顾重要人物
丁肇中，(1936—)与
B.Richter, (1931—)分 别发现J／ψ粒子，找 到了美夸克存在的证 据，1976年获诺贝尔 奖。
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历史回顾重要事件
1896：H.Becquerel发现了铀(U)放射现象;
0 -1 e
根据一级反应的速率方程和半衰期公式: lnct( 14 C)= -kt ＋ lnc0( 14 C ) ， t1/2 = 0.693/k 6 6 得： k = 0.693/t1/2 = 0.693/5730 a = 1.21×10-4 a-1 t = ln[756 Bq·-1/432 Bq·-1]/(1.21×10-4 a-1) = 4630 a g g 即该古墓大约是公元前2625年建造的。
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核能是什么？核燃料培训材料
核能是什么？核能即原子能，它是原子结构发生变化而释放的能量。
通常的化学反应，仅涉及原子与原子之间相互结合关系的变化，而原子核不发生变化。
在原子核反应中，原子核的组成部分(中子和质子)的相互关系发生变化。
由于这些粒子之间结合的紧密程度，远远大于原子间结合的紧密程度，因此核反应中的能量变化比化学反应大几百万倍。
核能与化学能可做如下具体比较： 1公斤标准煤燃烧释放能量29260焦尔 1公斤石油燃烧释放能量418000焦尔 1公斤铀－235裂变释放能量685.5亿焦尔 1公斤抗流混和物聚变释放能量3385.8亿焦尔 可用作能源的核反应，目前主要有重元素原子核(铀－235、铀－233、钚－239、钍)的裂变反应和轻元素(氘、氚)原子核的聚变反应两大类。
核裂变是1942年首次点火实现的，可控核聚变许多国家正在紧张的研究之中，至今尚未实现。
所以说，可控核聚变被认为属于下一世纪的能源。
1954年，世界上第一座核电站在原苏联建成，从而开创了人类和平利用核能的新纪元。
据统计，到1989年底，在世界27个国家和地区中正在运行的核电反应堆达到434座，其中美国最多，有111座。
现在世界上正在建造的核电反应堆有90多座。
目前，核电已占世界发电量的17％。
我们生活的地球上，核能资源非常丰富，可作裂变燃料的铀和可转化为核燃料的铁储量很大，相当于化石燃料总能量的10万倍以上。
按照现在全世界能量消耗水平计算，可用上万年以上。
轻核聚变产生的能量更为惊人，在海水中的抗达1亿吨，可供人类使用1000亿年。
重原子核分裂，需要中子来引发。
当中子跟重原子核碰撞并被吸收，重原子核就会立即分裂成两片。
这两片其实是两个轻的原子核。
裂变反应同时释放出中子和能量。
新产生的中子跟其他原子核碰撞，引起新的裂变，这样可形成链式反应。
裂变反应释放出的中子速度很高(每秒几万公里)称快中子。
快中子不容易引起裂变，犹如高速子弹穿过物体，不能把物体打碎一样，而较慢的子弹却能把物体击碎。
核燃料元件知识点总结
核燃料元件知识点总结一、核燃料元件的概念和作用核燃料元件是指用于核反应堆的核燃料装置，是核反应堆的核心部件之一。
核燃料元件的主要作用是提供反应堆所需的放射性燃料，并在核反应过程中释放能量，从而产生热量用于发电或其他工业用途。
二、核燃料元件的种类和结构核燃料元件主要包括燃料棒、燃料组件和燃料组件簇。
燃料棒是核燃料元件的基本构成单位，其中包含核燃料和燃料包壳，是能够产生核裂变反应的主要部件。
燃料组件是由多个燃料棒组成的组合体，用于组成反应堆的核心部分。
燃料组件簇则是由多个燃料组件组成的更大的组合体，用于组成整个反应堆的燃料装置。
三、核燃料元件的组成和材料1. 燃料核素燃料核素是核燃料元件中的主要成分，它通过核裂变反应产生能量。
常见的燃料核素包括铀-235、钚-239等。
这些燃料核素需要具有一定的放射性，并且具有足够的裂变截面和寿命，以确保反应堆的稳定运行和长期使用。
2. 燃料包壳燃料包壳是燃料棒的外包覆层，主要作用是保护燃料核素并防止与周围介质发生化学反应和物理变化。
常见的燃料包壳材料包括锆合金、钛合金、不锈钢等，在高温、高压和高辐照条件下具有较好的稳定性和热导性。
3. 冷却剂和包裹材料冷却剂是核反应堆中用于散热和传热的介质，常见的冷却剂包括水、氦气、液态金属等。
包裹材料是用于固定和支撑燃料元件的结构材料，通常采用不锈钢、铝合金等。
四、核燃料元件的性能和特点1. 高能量密度核燃料元件具有高能量密度，能够在小体积和重量下获得大量的能量输出，适用于各种小型和便携式核能装置。
2. 长寿命核燃料元件具有长期放射性，能够持续输出能量，满足长期使用要求。
3. 高温、高压、高辐射环境下的稳定性核燃料元件能够在高温、高压和高辐射条件下稳定运行，满足核反应堆的要求。
五、核燃料元件的研究与应用1. 燃料元件设计和制造技术燃料元件设计和制造技术是核燃料元件研究的重要内容，包括核燃料的材料选择、结构设计、制造工艺、性能测试等方面。
核燃料组件的组成
核燃料组件的组成引言：核能作为一种清洁、高效的能源形式，广泛应用于电力生产和科学研究领域。
而核燃料组件作为核能利用的核心部分，其组成对于核能的安全性和效能具有至关重要的影响。
本文将着重介绍核燃料组件的组成，从燃料元素、包壳材料、冷却剂等方面进行详细阐述。
一、燃料元素核燃料组件的核心部分是燃料元素，它们含有可以产生核裂变或核聚变反应的核素。
目前主要使用的核燃料元素是铀（U）和钚（Pu）的同位素。
铀的同位素主要有铀-235和铀-238，其中铀-235是可裂变的核素，铀-238则用于产生钚-239。
铀和钚的同位素通过加工和浓缩后，形成核燃料元素。
二、包壳材料核燃料组件需要使用包壳材料将燃料元素包裹起来，以提供保护和支撑。
包壳材料需要具备一定的力学性能和耐高温、耐腐蚀等特性。
目前常用的核燃料包壳材料主要有铀合金、锆合金和钢等。
铀合金具有良好的热导性和机械性能，适用于高温和高压环境；锆合金具有良好的耐腐蚀性和低热中子截面，适用于轻水反应堆；钢材料具有较高的强度和耐腐蚀性，适用于快堆等特殊反应堆。
三、冷却剂核燃料组件在工作过程中会产生大量的热量，为了保证燃料元素的稳定性和延长使用寿命，需要通过冷却剂来帮助散热。
常用的核燃料组件冷却剂包括水、氦气、二氧化碳等。
水是最常见的冷却剂，其具有高热容和低成本等优势，广泛应用于轻水反应堆；氦气则广泛应用于高温气冷堆，其具有良好的热导性和化学稳定性；二氧化碳则适用于高温气冷堆和某些实验堆，具有较高的工作温度和压力。
四、反应控制装置核燃料组件中的反应控制装置用于调节和控制核裂变过程，确保反应堆的稳定和安全。
常见的反应控制装置包括控制棒和反应性降低剂等。
控制棒可以通过上下移动来调节中子流量，进而控制反应速率；反应性降低剂则通过吸收中子来降低反应堆的反应性，常用的反应性降低剂包括硼和镍等。
五、其他辅助装置除了以上主要组成部分，核燃料组件还包括一些辅助装置，用于提供支撑、密封和冷却等功能。
nuclear materials and energy的分区
nuclear materials and energy的分区
核能和核材料的分区可以根据不同的性质和用途进行划分：
1. 燃料：核能和核材料的燃料区是核反应堆的心脏，它由浓缩铀或钚构成，通常被包在石墨或锆等材料中，用于制造核反应堆中产生核能的裂变反应。
2. 中子慢化剂：中子慢化剂是一种吸收中子的物质，它可以通过降低中子的能量，使其更容易被核燃料吸收，从而提高核反应的效率。
常见的慢化剂有石墨、重水和铍等。
3. 控制棒：控制棒是一种用于控制核反应速率的棒状物质，通常由铅、硼等能够吸收中子的物质制成。
通过插入或拔出控制棒，可以控制核反应的速率，从而实现核反应的启动、关闭和调节。
4. 安全壳：安全壳是一种用于保护反应堆免受辐射和外部干扰的容器，通常由钢板、混凝土等材料制成。
安全壳将反应堆与外部环境隔开，防止辐射外泄，确保人员和环境的安全。
5. 废物处理区：废物处理区是核反应堆中产生的放射性废物的处理区域，包括废物的存放、处理、处置等环节。
废物处理区需要采用严格的防护措施，防止放射性物质的扩散和污染。
6. 其他：除了上述区域，核能和核材料的分区还包括核燃料的制备区、反应堆的控制系统区等。
核材料有哪些
核材料有哪些核材料是指能够产生核反应并释放出核能的物质。
核材料在能源领域具有重要的应用价值，可以用于核能发电、核武器制造、医疗诊断和治疗等领域。
下面将介绍一些常见的核材料。
1. 铀（Uranium）：铀是自然界中含量较为丰富的核材料之一。
铀可以分为两种同位素，即铀-235和铀-238。
铀-235是一种裂变性核材料，可以用于核能发电和核武器制造。
铀-238则主要用于生产钚-239，作为核武器的次级燃料。
2. 钚（Plutonium）：钚是一种人工合成的放射性元素，用一种裂变性核材料，可以用于制造核武器和核能发电。
钚-239是最常见的钚同位素，具有很高的裂变性和燃烧性能。
3. 氚（Tritium）：氚是氢的同位素之一，是一种放射性核材料。
氚广泛应用于核武器、核能发电和核聚变研究中，它可以用于增强核武器的爆炸威力，也可以用于制造氚氘燃料并参与核聚变反应。
4. 铀-235和铀-238混合氧化物（MOX，Mixed-Oxide）燃料：MOX燃料是一种将铀-235和铀-238混合在一起的核燃料，可以用于核能发电。
铀-235的含量较低，但具有较高的裂变性能，而铀-238的激发裂变截面较低，具有较高的冷中子效应。
MOX燃料可以提高核能发电的效率和燃料利用率。
5. 铀-233和钍-232混合氧化物（ThMOX）燃料：ThMOX燃料是一种将铀-233和钍-232混合在一起的核燃料，也可以用于核能发电。
铀-233是一个可裂变物质，可以被中子激发裂变，释放出更多的中子和能量。
钍-232是一种繁殖材料，可以经过中子激发产生铀-233。
ThMOX燃料可以实现燃料自繁殖循环，提高核能发电的可持续性和燃料利用率。
除了上述提到的核材料，还有其他一些核材料，如钚-241、镅（Americium）、镅-255等，它们在核能发电、核武器制造和科学研究中发挥着重要作用。
总的来说，核材料是一种具有放射性和核能释放能力的物质，包括铀、钚、氚等，它们在能源、军事、医疗等领域具有广泛的应用和重要的科学研究价值。
【2024版】第四章核能材料
2.3裂变堆类型
裂变反应根据堆内中子能量大小，分为快中子反 应堆和热中子反应堆等堆型。以水作为慢化剂的热中 子反应堆根据氢原子中的中子数不同，可以分为轻水 堆(LWR) 、重水堆等；轻水堆根据冷却剂状态不同可 以分为压水堆、沸水堆等。
压水堆(PWR)：使用加压轻水作冷却剂和慢化剂 ，水压约15.5MPa，水在堆内不沸腾，驱动汽轮发电 机组的蒸汽在反应堆以外产生，借助于蒸汽发生器实 现，蒸汽压力为6～7MPa。燃料为浓缩铀或MOX燃 料。
锆-2.5铌合金主要成分是2.5%-2.8%（质量） Nb和1000×10-6-1300×10-6O.添加Nb可以使合 金得到强化并提高耐蚀性，少量的氧也可以强化 合金，在合金重要严格的控制有害杂质氢和碳、 氯和磷。前者容易造成合金氢化开裂；后者会降 低其断裂韧性。
锆-2.5铌合金主要性能：
微观组织和断裂韧性
2 裂变反应堆材料
2.1裂变原理和裂变反 应堆 铀-235或钚-239
等重元素的原子核在 吸收一个中子后发生 裂变，分裂成两个质 量大致相同的新原子 核，同时放出2~3个 中子，这些中子又会 引发其他的铀-235或 钚-239原子核裂变， 如此形成链式反应。
核能材料资料
不需要慢化剂。
裂变反应： 先铀-238——钚-239，后由快中 子轰击钚-239发生裂变反应。
极大地提高铀的利用率。
2、工作过程： 在“快堆”内由于 核裂变反应而产生 的热量，由液态金 属钠带出来并进入 中间热交换器，带 有热量的液态钠再 由中间回路进入蒸 汽发生器，使蒸器 发生器内的水沸腾 并汽化，由蒸汽来 驱动汽轮发电机组 进行发电。
切尔诺贝利核电站事故简介
•切尔诺贝利核污染威胁，要经过漫长的100年，才可能消失。
•从核电站事故至今20年来造成的损失为 2350亿美元 。 • 切尔诺贝利，使四周15万平方公里面积 的地区受到污染。 •已经有55000人死亡，150000人残废。
2、核能发电特点：
(4)经济
从美国、欧洲不同类发电厂每度电的成本来看，核电 与煤发电相当，比水电、燃油发电低。这表明核电的 经济性是好的，是具有竞争力的。
与裂变堆比，燃料无放射性，系统更安全，不产生放 射性废物。
核燃料分类表 燃料形式
形态 金属 材料 U U-Al 适用堆型 石墨慢化堆 快堆
合金
U-Mo
U-ZrH U3Si (U,Pu)O2
快堆
脉冲堆 重水堆 快堆 快堆 快堆 轻水堆、重水堆
固体燃料
陶瓷
(U,Pu)C (U,Pu)N UO2
金属-金属 UAl4-Al
重水堆
重水堆 高温气冷堆
弥散体
陶瓷-金属 UO2-Al 陶瓷-陶瓷 (U,Th)O2-(热解石墨, SiC)石墨
汽水分离装置
蒸 发 器
外壳容器
管板
倒U型管束
泵
稳压器
2、压水堆核电站特点
反应堆使用的核燃料概述及金属材料简介
核动力反应堆通常使用的燃料分为三种类型： 金属型、陶瓷型和弥散体型。
Hale Waihona Puke 金属型燃料 金属型核燃料包括金属铀和铀合金两种。
亨利·贝可勒尔在1896年将照相底片放在铀 每月铀价格趋势图（以每磅美元计），2007年的铀价
附近，从而发现了放射性。
泡沫爆破清晰可见
金属型燃料 金属铀有三种不同的结晶构造：
锆对中子的吸收截面小，抗腐蚀能力好，且和铀的溶解度 大，目前应用于动力堆的只有铀锆合金。
金属型燃料 总结
金属型燃料
钚-239可以在反应堆内被制造，是人造易裂变元素，其临界质 量比铀小，在有水的情况下，650克的钚即可发生临界事故。金属态 的钚较脆弱，熔点低（640℃）；从室温到熔点有六种同素异构体， 结构变化复杂；导热系数低，仅为铀的1/6左右；线膨胀系数大，各 向异性十分明显；化学稳定性很差，并极易氧化，易与氢气和二氧 化碳发生反应。这些缺点使金属态的钚不适合作为核燃料，一般都 以氧化物的形式与氧化铀混合使用，即混合氧化物燃料。这种钚与 铀的组合可以实现快中子增殖，因而成为当今着重研究的核燃料之 一。
金属型燃料
TRIGA反应堆因其使用的铀 氢锆燃料的这种特性，反应堆本 身体积可以比常规核反应堆小很 多，因为它们不需要非常严密的 安全保护措施，是分布式发电以 及教学用的理想堆种。
TRIGA反应堆核心近照，可以看见切连科夫辐射 引起的蓝色辉光
另一方面， α 相铀中裂变气体（氙和氪）的溶解度很 低，随着燃耗的增加，气体会在铀中形成气泡，导致铀棒的 肿胀。
金属型燃料
在铀中添加少量合金元素（钼、铬、铝、锆、铌、硅等）， 能使铀稳定在β 和γ 相，从而改善某些机械性能；
添加大量合金元素后，可以明显改善铀的抗辐照和抗腐蚀 能力，但增加了有害的中子寄生吸收；
名词解释原子核核能纳米材料
名词解释原子核核能纳米材料
原子核：
原子核是原子的中心部分，由质子和中子组成。
质子带有正电荷，中子不带电荷。
原子核中的质子数量决定了原子的化学元素，质子和中子的总和称为质量数。
核能：
核能是指利用核反应释放的能量。
常见的核能利用方式包括核裂变和核聚变。
核裂变是指将重核（如铀、钚等）通过撞击或中子引起的反应分裂为两个或多个轻核，伴随着大量的能量释放。
核聚变是指将两个轻核（如氘、氚等）融合成更重的核，同样伴随着能量的产生。
纳米材料：
纳米材料是指其尺寸在纳米级别（即10^-9米）的材料。
由于纳米材料具有特殊的尺寸效应和量子效应，其物理、化学和生物学性质与其宏观材料相比可能有明显不同。
纳米材料在材料科学、医学、电子学等领域具有广泛的应用前景，例如用作催化剂、传感器、药物递送系统等。
自然界的核原料
自然界的核原料核原料是指用于核能发电或核武器制造等核技术应用的材料。
在自然界中存在着一些丰富的核原料，它们是人类能够利用的重要能源资源。
本文将介绍几种常见的自然界核原料，并探讨它们的应用和意义。
1. 铀矿石铀矿石是最重要的核原料之一，它是自然界中含铀的矿石。
铀矿石主要存在于地壳中的花岗岩、黑云母片岩和砂岩等中，富集程度较高的地区有澳大利亚、加拿大、哈萨克斯坦等国家。
铀矿石经过提取和浓缩，可以得到适合核能发电或核武器制造的铀浓缩物。
铀是一种重要的燃料，它能够通过核裂变释放出巨大的能量，被广泛应用于核能发电。
2. 钍矿石钍矿石是另一种重要的核原料，它是自然界中含钍的矿石。
钍主要存在于矿石中的独居石、独居石矿石和钍铀矿石中，富集程度较高的地区有中国、澳大利亚、巴西等国家。
钍可用于核能发电中的钍-铀燃料循环，也可以用于制造核武器。
此外，钍还具有良好的吸收中子能力，广泛应用于核反应堆的控制棒。
3. 钚钚是一种重要的人工核原料，它无法在自然界中大量存在。
钚可通过中子轰击铀-238或钍-232产生，主要用于核能发电和核武器制造。
钚的裂变产物不仅具有高能量释放，还具有极强的放射性，因此必须严格控制和管理。
钚的利用需要经过多道工序，包括提取、浓缩和制备等过程，安全管理至关重要。
4. 铀-235铀-235是铀矿石中的一种同位素，它是核能发电和核武器制造中最重要的核原料之一。
铀-235的丰度较低，只有0.7%，因此需要经过铀浓缩工艺提高其丰度。
铀-235的核裂变能产生大量的能量，并释放出中子，进一步促进核链反应的进行。
在核武器制造中，铀-235通常用于制造“原子弹”。
5. 钚-239钚-239是一种人工核素，它是铀-238经过中子捕获和质子辐射转化而成的。
钚-239是核武器制造中使用的核原料，也可以用于核能发电。
钚-239的裂变产物能够释放出大量的能量，并产生更多的中子，从而实现自持链式反应。
钚-239具有极高的放射性，需要进行严格的管理和控制。
第四章核能材料.解析
4.改进型水冷动力反应堆材料
4.1 压水堆堆芯新材料 压水堆堆芯部件的工作条件十分苛刻，因而 对其运行的可靠性、经济性和安全性要求越来越 高。为了满足这种要求，一方面堆芯设计不断更 新，另一方面制造部件所使用的材料也将随之改 进。目前没根据核能发展需要而开发的压水堆堆 芯新型材料最具有典型的锆合金包壳材料。水冷 动力堆堆芯的另一种改进型材料是可燃毒物材料 。研究表明，Gd2O3是一种良好的材料。
4.1.2 锆-2.5铌合金
锆-2.5铌合金主要成分是2.5%-2.8%（质量） Nb和1000×10-6-1300×10-6O.添加Nb可以使合 金得到强化并提高耐蚀性，少量的氧也可以强化 合金，在合金重要严格的控制有害杂质氢和碳、 氯和磷。前者容易造成合金氢化开裂；后者会降 低其断裂韧性。 锆-2.5铌合金主要性能： 微观组织和断裂韧性 晶粒结构由β-Zr薄膜围绕α晶粒组成。该薄膜 可以连续或轻度破损；α粒子基极基本上呈现平行 于周向的织构；位错密度等于10-14，断裂韧性大 于250MPa.m1/2。
核能就是指原子能，即原子核结构发生变化时释放出的 能量,包括重核裂变或轻核聚变释放的能量。1938年德国化 学家哈恩首次揭示了核裂变反应，他通过研究发现，铀235在中子的轰击下分裂成两个原子核，同时放出三个中 子，这一过程伴随着能量的放出，这个过程就是核裂变反 应，放出的能量就是核能。物质所具有的原子能比化学能 大几百万倍以至上千万倍。
238U和232Th资源丰富，为核能的利用提供 了广阔的材料来源。此外，由于铀238和钍232是 能够转换成易裂变核素的重要原料，且其本身在 一定条件下也可产生裂变，所以习惯上也称其为 核燃料。聚变燃料包含氢的同位素氘、氚，锂和 其它化合物等。核工程材料是指反应堆及核燃料 循环和核技术中用的各种特殊材料，如反应堆结 构材料、元件包壳材料、反应堆控制材料、慢化 剂、冷却剂、屏蔽材料等等。核材料必须置于设 有多重实体屏障的保护区内，并实行全面管制与 统计，防止损失与扩散。
核能材料的性能及特性研究
核能材料的性能及特性研究核能材料是指作为核反应堆核心的燃料与结构材料，在核能领域发挥着重要的作用。
核能材料的性能和特性研究对于核能发展具有重要意义。
在本文中，将对核能材料的性能和特性研究展开探讨。
一、核能材料的性能1. 核能材料的物理性能核能材料的物理性能包括密度、热导率、热膨胀系数等等。
密度是核燃料的重要物理性质，核燃料的密度越高，核反应堆的输出功率就越大。
热导率决定了核燃料的热传递性能，热膨胀系数则是材料受温度变化时的体积变化程度，对核燃料材料的使用寿命有很大影响。
2. 核能材料的力学性能核能材料的力学性能主要包括材料的强度、硬度、韧性等等。
核能材料需要具备较高的强度和硬度，才能承受核反应堆的高温高压环境。
同时，核能材料还需要具备一定的韧性，以免在极端条件下产生断裂等问题。
3. 核能材料的化学性能核能材料的化学性能主要包括材料的腐蚀性和氧化性等等。
在核反应堆中，核燃料需要在极端的高温高压环境下稳定存在，不受材料本身的化学性质影响。
二、核能材料的特性研究1. 辐照效应辐照效应是指核能材料在高辐射剂量下所存在的物理和化学变化。
辐照效应是核能材料研究的重要方向之一。
辐照会导致材料中的缺陷和位错增加，材料的机械性能和导热性能都会受到影响。
辐照效应的研究可为合理选择材料提供依据。
2. 晶体缺陷和位错晶体缺陷和位错是核能材料研究的重要方向之一。
随着辐照量的增加，核能材料中的晶体缺陷和位错会不断增加，从而影响材料的力学性能和导热性能。
因此，晶体缺陷和位错的研究是核能材料研究的重要方向之一。
3. 氢脆性氢脆性是指材料在吸氢后变得易于断裂的现象。
在核能领域，氢脆性对于材料的使用寿命具有重要影响。
因此，氢脆性的研究在核能材料研究中也占有重要地位。
结论：核能材料作为核能领域的重要物质，其性能和特性的研究对于核能的安全稳定发展至关重要。
本文对核能材料的性能和特性进行了探讨，为核能研究提供了参考。
未来，需要进一步深入探讨核能材料性能和特性的研究，为核能的可持续发展做出更大的贡献。
几种核燃料材料及性能比较
几种核燃料材料及性能比较核燃料是一种用于核反应堆中产生核能的材料。
常见的核燃料材料包括铀、钚和锕系元素等。
铀是最常见的核燃料材料之一、铀矿石中含有铀-238和铀-235两种同位素。
铀-235是可裂变同位素，可以通过中子轰击发生裂变反应释放能量。
铀-238在中子轰击下可转变为钚-239，通过快中子捕获产生裂变，因此也可以作为核燃料使用。
铀-235含量低，需经过浓缩处理来提高浓缩度才能使用。
铀燃料材料具有较高的裂变截面和较长的燃耗周期，适用于热中子反应堆。
钚是另一种常用的核燃料材料。
钚-239是可裂变同位素，可用于核裂变反应。
钚-239可以通过中子捕获钚-238而产生，因此可通过铀-238在反应堆中进行快中子俘获而转变为钚-239、钚-239具有较高的裂变截面，可以产生更多的裂变反应，因此燃耗效率高。
锕系元素也是一种潜在的核燃料材料。
锕系元素的原子序数介于钍和镅之间。
它们具有一系列的同位素，其中有部分同位素可用于核裂变反应。
锕系元素的裂变截面较大，燃耗效能较高。
除了以上的常见核燃料材料，还存在其他一些潜在的核燃料材料，如铀-233、镆、铍等。
这些材料具有不同的裂变截面和燃耗特性。
铀-233是另一种可裂变同位素，可以通过中子棒的中子捕获来产生。
镆和铍等材料可用于反应堆中的聚变反应。
关于核燃料材料的性能比较，主要包括以下几个方面：1.燃耗特性：不同核燃料材料的燃耗特性有所不同。
燃耗特性主要包括燃耗周期、燃耗效能等指标。
铀燃料材料具有较长的燃耗周期，适合用于热中子反应堆。
钚燃料材料具有较高的燃耗效率，可用于高效能反应堆。
2.安全性：核燃料材料的安全性是核能发展的重要关注点之一、不同的核燃料材料在安全性方面也存在差异。
铀燃料材料具有较好的安全性，稳定性好，不易发生意外事故。
钚燃料材料在储存和处理时需特别小心，因为钚-239是放射性物质，具有较高的放射性活性，对人体和环境有一定的辐射风险。
3.回收利用：对于核燃料材料的回收利用也是一个重要的考虑因素。
核能材料
核能材料核能俗称原子能，它是原子核里的核子——中子或质子，重新分配和组合时释放出来的能量，符合阿尔伯特·爱因斯坦的方程E=mc²，其中E=能量，m=质量，c=光速常量。
核能是人类最具希望的未来能源。
人们开发核能的途径有两条：一是重元素的裂变，如铀的裂变；二是轻元素的聚变，如氘、氚、锂等。
重元素的裂变技术，己得到实际性的应用；而轻元素聚变技术，也正在积极研制之中。
核裂变是一个原子核分裂成几个原子核的变化。
裂变只有一些质量非常大的原子核像铀、钍和钚等才能发生核裂变。
这些原子的原子核在吸收一个中子以后会分裂成两个或更多个质量较小的原子核，同时放出二个到三个中子和很大的能量，又能使别的原子核接着发生核裂变……，使过程持续进行下去，这种过程称作链式反应。
原子核在发生核裂变时，释放出巨大的能量称为原子核能，俗称原子能。
1千克铀-238的全部核的裂变将产生20,000兆瓦小时的能量(足以让20兆瓦的发电站运转1,000小时)，与燃烧2500吨煤释放的能量一样多。
原子弹以及核能发电厂的能量来源都是核裂变。
核聚变又称核融合、融合反应或聚变反应核是指由质量小的原子，主要是指氘或氚，在一定条件下（如超高温和高压），只有在极高的温度和压力下才能让核外电子摆脱原子核的束缚，让两个原子核能够互相吸引而碰撞到一起，发生原子核互相聚合作用，生成新的质量更重的原子核（如氦），中子虽然质量比较大，但是由于中子不带电，因此也能够在这个碰撞过程中逃离原子核的束缚而释放出来，大量电子和中子的释放所表现出来的就是巨大的能量释放。
相比核裂变，核聚变几乎不会带来放射性污染等环境问题，而且其原料可直接取自海水中的氘，来源几乎取之不尽，是理想的能源方式。
人类已经可以实现不受控制的核聚变，如氢弹的爆炸。
但是要想能量可被人类有效利用，必须能够合理的控制核聚变的速度和规模，实现持续、平稳的能量输出。
科学家正努力研究如何控制核聚变。
地球上蕴藏着数量可观的铀、钍等裂变资源，如果把它们的裂变能充分利用，可以满足人类上千年的能源需求。
核能及其材料
金属基体有良好韧性，加工性能好，如不锈钢基体的核燃料可 轧制成板状高功率密度元件，已用于美国军用装配式动力堆。
但是，由于弥散型核燃料中的裂变物质含量低，故需 采用高浓度铀原料。
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核燃料—固体核燃料—陶瓷型核燃料
陶瓷型 氧化物陶瓷、碳化物陶瓷
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核能的应用
军事上，核能可作为核武器，并用于航空母舰、核潜艇等的动力源。 经济上，核能可以替代化石燃料，用于发电。
核医学：可以作为放射源应用于医疗，核能由于其放射性， 核技术在 治疗恶性肿瘤上得到广泛应用，在放射治疗中，快中子治癌也取得了 好的效果。 核农学：主要研究领域是辐射遗传和育种学、放射生物学、辐照保藏 技术、示踪原子应用还可以为城市供热等。
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核能发电的特点
优点
1．核能发电不会造成空气污染，不会产生加重地球温室效应的二 氧化碳。 2 ．燃料储量丰富。核裂变的主要燃料铀和钍的储量分别约为490 万吨和275万吨，足可以用到聚变能时代。轻核聚变的燃料是氘和 锂，地球上海水中有40多万亿吨氘，地球上的锂储量有2000多亿 吨，锂可用来制造氚，足够人类在聚变能时代使用。 3 ．核燃料能量密度比起化石燃料高上几百万倍，故核能电厂所 使用的燃料体积小，运输与储存都很方便。
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核能发电
核能发电利用铀燃料进行核分裂连锁所产生的热，将水加热成高温高 压，利用产生的水蒸气推动蒸汽轮机并带动发电机。与火力发电极其 相似。
核能发电的能量来自核反应堆中核燃料进行裂变反应所释放的裂变能。
能量转化过程：
核能→水和水蒸气的内能→发电机转子的机械能→电能
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核材料有哪些
核材料有哪些
核材料是指在核能工业中使用的物质，主要包括核燃料、核裂变产物、核裂变
产物、核辐射吸收剂等。
核材料的种类很多，下面将对常见的核材料进行介绍。
首先，核燃料是指用于核反应堆中的燃料物质，主要包括铀、钚等。
其中，铀
是最常见的核燃料，其同位素铀-235是目前主要用于核能发电的燃料。
铀-235的
裂变反应释放出大量的能量，用于驱动发电机发电。
除了铀之外，钚也是一种重要的核燃料，它可以通过中子俘获转变成钚-239，用于核武器或者混合氧化铀钚燃料。
其次，核裂变产物是指核裂变反应中产生的放射性物质，主要包括锕系元素、
锕系元素、锕系元素等。
这些核裂变产物对人体和环境都具有一定的危害，因此在核能工业中需要进行严格的控制和处理。
另外，核裂变产物是指核裂变反应中产生的放射性物质，主要包括锕系元素、
锕系元素、锕系元素等。
这些核裂变产物对人体和环境都具有一定的危害，因此在核能工业中需要进行严格的控制和处理。
此外，核辐射吸收剂是指用于吸收中子或者其他放射性粒子的物质，主要包括硼、铁等。
这些物质可以用于调节核反应堆中的中子流量，控制核反应的速率。
总的来说，核材料是核能工业中不可或缺的物质，它们在核反应堆中发挥着至
关重要的作用。
然而，由于核材料的特殊性质，对其使用和处理需要严格的控制和管理，以确保人体和环境的安全。
希望未来能够通过科学技术的进步，找到更加安全和高效的核材料，推动核能工业的可持续发展。
核电关键材料范文
核电关键材料范文一、反应堆材料1.燃料元素：核电站的燃料元素主要是铀、铀-钚和铀-铀燃料。
这些燃料元素需要具备高温抗辐射、稳定性和易于加工的特点。
此外，还需要考虑核燃料的回收和处理问题。
2.燃料包壳：燃料包壳是保护燃料元素的关键组件，需要具备高温抗辐射和耐腐蚀的特点。
常用的包壳材料有锆合金、不锈钢和镍基合金。
3.反应堆压力容器：反应堆压力容器是核电站的核心组件，负责容纳反应堆燃料和冷却剂，并承受高温和高压。
常用的压力容器材料有低合金钢和不锈钢。
二、冷却剂材料1.轻水反应堆：轻水反应堆使用水作为冷却剂，因此需要具备耐高温和高压的特性。
常用的材料有不锈钢、钛合金和镍基合金。
2.重水反应堆：重水反应堆使用重水作为冷却剂，因此需要具备耐腐蚀和抑制中子吸收的特性。
常用的材料有铝合金、锆合金和镍基合金。
三、辅助设备材料1.冷却塔：冷却塔用于将核电站中发热的冷却剂冷却至环境温度。
常用的材料有水泥、钢筋和玻璃钢。
2.控制棒：控制棒用于控制核反应堆的输出功率，需要具备较高的耐辐射性和热导性能。
常用的材料有铜-铌合金、不锈钢和锆合金。
未来的发展趋势：1.开发高温材料：随着核电站的发展，对高温材料的需求也越来越大。
目前正在研发的高温材料主要包括碳化硅、碳化钨和氮化硼等。
2.创新防腐材料：核电站中的材料容易受到腐蚀，因此需要开发新的防腐材料。
目前的研究方向包括氧化铝涂层、陶瓷材料和高温合金等。
3.提高材料性能：随着科技的进步，可以通过改变材料的原子结构和添加适量的合金元素来提高其性能，例如提高材料的强度、导热性和耐辐射性。
总之，核电关键材料是实现核能产生和控制的基础，对核电站的运行稳定性和安全性起着关键作用。
随着核能的广泛应用和技术的不断进步，核电关键材料的研究和开发将成为核能领域的重要课题。
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各国核电份额
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国内外核电现状
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2.核燃料
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核燃料（nuclear fuel）
核燃料可在核反应堆中通过核裂变或核聚变产生实用核能的材料。主 要是铀-235、钚-239、铀-233等重元素。自然界天然存在的易于裂变 的材料只有Ｕ-235，它在天然铀中的含量仅有0.711％，另外两种同位 素Ｕ-238和Ｕ-234各占99.238％和0.0058％，后两种均不易裂变。另 外 两 种 利 用 反 应 堆 或 加 速 器 生 产 出 来 的 裂 变 材 料 Ｕ -233 和 Pu-239 。 用这些裂变材料制成金属、金属合金、氧化物、碳化物等形式作 为反应堆的燃料。
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铀合金 为了改善纯铀的特性
g相合金：U-Zr, U-Mo, U-Nb, 快冷得到立方g相
a相合金：保持a 结构并具有细小而混乱的晶粒组织，抗辐照，典型合 金有 U-1.5%Nb-5%Zr、U-2%Zr、U-0.3%Cr、U-1.5%Mo等。
金属间化合物：U3Si是具有一定压缩延性的金属间化合物，其耐蚀性 远高于金属铀，在燃料芯块中心予留孔洞就可以适应大多数情况下辐 照引起的尺寸变化。用于动力堆的只有铀-锆合金。
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核燃料—固体核燃料—陶瓷型核燃料
陶瓷型 氧化物陶瓷、碳化物陶瓷
目的：改善燃料性能，克服陶瓷型燃料的导热和延性不足 方法：(1) 将陶瓷燃料(UO2)粉末或金属间化合物粉末等弥散在 金属基体内，或(2)用热解碳和碳化硅包覆氧化物或碳化物的涂层 颗粒燃料，再将这些颗粒燃料弥散在石墨体内 用途：作为高温堆燃料，如高温气冷堆的燃料
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核燃料
1) 裂变核燃料:铀235、铀238和钚239是能发生核裂变的核燃料，又 称裂变核燃料。其中铀235存在于自然界，而铀233、钚239则是钍232 和铀238吸收中子后分别形成的人工核素。从广义上说，钍232和铀238 也是核燃料。已经大量建造的核反应堆使用的是裂变核燃料铀235和钚 239。
各向同性，抗辐照稳定性好。
3. 与水和包壳材料的相容性好。
4. 热中子俘获截面极低(＜0.0002 barn) ；
UO2的晶体结构
与金属铀相比的不足
1. 密度较低, 10.9g/cm3
2. 导热率仅为金属铀的十几分之一，温度梯度大
3. 质脆且硬，由于大温度梯度造成的热应力而开裂。
O/U比状态图
可见，陶瓷二氧化铀虽有不足之处；但其优良特性仍是主导 的一面，目前动力堆广泛用它作为核燃料。
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核燃料—固体核燃料—陶瓷型核燃料
陶瓷型核燃料主要是二氧化铀(UO2)、碳化铀(UC)及氮化铀(UN)，其中二 氧化铀是应用最广、研究最深入的一种。
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UO2燃料的性质
压水堆主要是用二氧化铀瓷型核燃料，优良特性：
1. 熔点高: 2865℃
2. fcc 结 构 (CaF2 结 构 ) ， 在 熔 点 下 无 晶 型 转 变 ，
核能及其燃料
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1.核能
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核能是不可再生能源。 核能是可持续发展的能源。
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什么是核能（ nuclear energy）
核能（或称原子能）是通过核反应从原子核释放的能量，符合爱因斯 坦的质能方程E=mc² 。
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核反应形式
轻核聚变是指在高温下(几百万度以上)两个质量较小的原子核结合成 质量较大的新核并放出大量能量的过程，也称热核反应。由于原子核间 有很强的静电排斥力，因此在一般的温度和压力下，很难发生聚变反应。 核聚变反应必须在极高的压力和温度下进行，故称为"热核聚变反应"。 相比核裂变，核聚变几乎不会带来放射性污染等环境问题，而且其原 料可取自海水，来源几乎取之不尽，是理想的能源方式。
核燃料—固体核燃料—弥散型核燃料
弥散型燃料 将燃料颗粒弥散分布在导热性好 的基体中
弥 散型 燃料 是将 UO2或 UC 等 陶瓷 核燃 料颗 粒均 匀地 和 非裂变基体材料(金属、非金属或陶瓷)混合后，经粉 末冶金法压制后烧结而成。基体特性要求：
中子吸收截面小，抗辐照能力强；
导热率高，热膨胀系数ຫໍສະໝຸດ ，并与燃料颗粒的热膨胀系数相当；放出α粒子的衰变叫做α衰变；放出β粒子的衰变叫做β衰变。 地热来源主要是地球内部长寿命放射性元素（主要是铀238 、铀235 、 钍232 和钾40等）衰变产生的热能。地热是一种取之不尽、洁净的能源。 现在，世界上许多国家已利用地热取暖、育种、发电等。
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核反应形式—核聚变
脆，密度也变小。
c) 金属铀在高温水中的抗腐蚀和抗辐照性能
都较差。 2020/7/17
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UO2粉末制备
ADU（铀酸胺盐 (NH4)U2O7）流程 AUC （ 三 碳 酸 铀 酰 胺
(NH4)4[UO2(CO3)3]）流程 IDR流程
ADU法工艺流程图
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UO2芯块制备
在运行温度范围内无相变，并应有足够的蠕变强度和韧性；
对燃料、燃料包壳和冷却剂的相容性好。
可作为基体相的材料: (PWR常用Zr－2)
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金属材料铝、锆、钼和不锈钢等；
弥散型燃料的特点
弥散型核燃料成本较低，物理和机械性能较好，燃耗 也较高，并且燃料类型可以多样化，有利于开扩核燃 料的应用范围
2）聚变核燃料:氘和氚是能发生核聚变的核燃料，又称聚变核燃料。 氘存在于自然界，氚是锂6吸收中子后形成的人工核素。核燃料在核反 应堆中“燃烧”时产生的能量远大于化石燃料，1千克铀235完全裂变 时产生的能量约相当于2500吨煤。
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核燃料的分类
固体燃料金属型、弥散型燃料、陶瓷型、
3 ．核燃料能量密度比起化石燃料高上几百万倍，故核能电厂所使 用的燃料体积小，运输与储存都很方便。
4．核能发电的成本中，燃料费用所占的比例较低发电成本较其他 发电方法为稳定。
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核能发电
缺点
1．核能电厂会产生高低阶放射性废料，同时核电厂的反 应器内有大量的放射性物质，对生态及民众造成伤害。 2．核能发电厂热效率较低，故核能电厂的热污染较严重。 3．核能电厂投资成本太大。 4．兴建核电厂较易引发政治歧见纷争。
铀是一种致密的、具有中等硬度的银白色金属，熔点1133℃，在熔点 以下有三种同素异构体
优点：密度高（>18g/cm3），导热率高（相对于UO2），工艺性能好， 易于加工成型，导热性好，但使用温度低于450oC，铀的核密度高， 导热性能好。缺点是燃料的工作温度低化学活性强，
缺点：相变、各向异性、辐照肿胀、性质活泼、化学稳定性差，在常 温下也会与水起剧烈反应而产生氢气， 在空气中会氢化，粉末状态 的铀易着火。在高温下只能与少数冷却 剂相容。
1）核衰变：指原子核由于放出某种粒子而转变为新核的变化过程。 2）核裂变：指重核分裂成两个或几个质量相差不大的部分的过程。 3）核聚变：指较轻原子核聚合成较重原子核的核反应过程。
核裂变、核聚变是两条主要途径。聚变反应放出的核能较裂变反 应大很多。
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核反应形式—核衰变
在目前人类发现的两千多种原子核中，绝大多数的原子核是不稳定的， 它们在自发的、缓慢的变成新核的过程中放出能量。地球内部巨大的热 能就是地球在漫长的演化过程中，由岩石中所含的铀U、钍Th、镭Ra等放 射性元素衰变中释放的能量积累而来。
2020/7/17
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核能发电的特点
优点
1．核能发电不会造成空气污染，不会产生加重地球温室效应的二 氧化碳。
2 ．燃料储量丰富。核裂变的主要燃料铀和钍的储量分别约为490 万吨和275万吨，足可以用到聚变能时代。轻核聚变的燃料是氘和锂， 地球上海水中有40多万亿吨氘，地球上的锂储量有2000多亿吨，锂可 用来制造氚，足够人类在聚变能时代使用。
辐照损伤只限于弥散相附近，对基体的影响较小，当燃耗逐渐 加深时，燃料元件的肿胀小，因而提高了燃料元件的寿命。
以金属相为基体的弥散型燃料有较高的导热率；
金属基体有良好韧性，加工性能好，如不锈钢基体的核燃料可 轧制成板状高功率密度元件，已用于美国军用装配式动力堆。
但是，由于弥散型核燃料中的裂变物质含量低，故需 采用高浓度铀原料。
2020/7/17
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燃料组件制造
2020/7/17
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核反应形式—核聚变—氘氚原子核的聚变反应
氢弹是利用氘氚原子核的聚变反应瞬间释放巨大能量起杀伤破坏 作用，正在研究可控热核聚变反应装置也是应用这一基本原理，它与氢 弹的最大不同是，其释放能量是可以被控制的。
2020/7/17
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核反应形式—核裂变
重核裂变是指一个重原子核，分裂成两个或多个中等原子量的原子核， 引起链式反应，从而释放出巨大 重核裂变的链式反应的能量。
(1) UO2粉末压制成型
将松散的粉末压制成具有一定形状、尺寸、密度和强度的坯块