堆芯材料选择和热物性优秀课件

一、核燃料分类
– 易裂变材料：铀-235，铀-233和钚-239 – 可裂变（可转换）材料：钍-232和铀-238 – 固体核燃料：金属型（包括合金）、陶瓷型和
弥散型。 – 液体核燃料：核燃料与某种液体载体如水溶液、
低熔点的熔盐以及液态金属等均匀混合。
固体核燃料的性能要求
• (１)具有良好的辐照稳定性，保证燃料元件在经受深度 燃耗后，尺寸与形状的变化能保持在允许的范围之内；
选择燃料时应考虑的几个条件，最重要的是中子 吸收截面，一般对快中子的吸收截面要比热中子的小。 其次是燃料密度，通常希望燃料密度大，但是为了改 善纯金属铀的物理性质，曾试用合金燃料。还应考虑， 组成燃料元件的物质是否容易获得，加工制造和后处 理是否困难，以及耐腐蚀、耐高温、耐辐照的性能如 何等重要因素。 现在的商用核电厂多采化合物形式的 陶瓷体燃料。
陶瓷型核燃料——二氧化铀
– 4、比热
• 在25℃＜t＜1226℃的情况下
c p 3 0 4 . 3 8 2 . 5 1 1 0 2 t 6 1 0 6 /( t 2 7 3 . 1 5 ) 2
• 在1226℃＜ｔ＜2800℃的情况下
c p 7 1 2 .2 5 2 .7 8 9 t 2 .7 1 1 0 3 t2
堆芯材料选择和热物性
堆芯结构材料包括： 1) 燃料元件用材料：燃料芯块材料、燃料包壳
材料、燃料组件和部件材料、导向管材料； 2) 慢化剂； 3) 冷却剂； 4) 反射层材料； 5) 控制材料：热中子吸收材料及控制棒材料、
控制棒包壳材料、控制棒构件、液体控制材 料； 6) 屏蔽材料； 7) 反应堆容器材料。
235U和239Pu是在生产堆中用人工方法获得的两种核燃 料。它们分别是由232Th和238U俘获中子而形成的。其中 239Pu 是核弹头的主要材料。
241Pu的半衰期短，放射性强，裂变截面大， 在反应堆里面的积累量很少，所以很少单独提取。 另外一些超钚元素具有裂变材料的重要特点，适合 于作为小型核武器和氢弹的引爆材料，它们是镅242、锯-245、锯-247、锎-249和锎-251等。
3、热导率：密度为95%理论值的冷压烧结二 氧化铀，其热导率通常用下述公式计算
k 9 5 t 3 4 8 0 .2 2 4 .5 5 4 .7 8 8 1 0 1 3 (t 2 7 3 .1 5 )3
陶瓷型核燃料——二氧化铀
• 其它密度下的烧结二氧化铀的热导率可用下述公式计算
(1)(10.05) kp 0.95(1) k95
• 式中 kp ——带孔隙的二氧化铀的热导率，瓦／(厘米·℃)； • k95——95%理论密度的二氧化铀的热导率，瓦／(厘米·℃)； • ε——燃料的孔隙率，即燃料芯块中的孔隙占燃料芯块体积的
份额。
陶瓷型核燃料——二氧化铀
未辐照的二氧化铀的热导率随温度的变化
燃耗对二氧化铀热导率的影响(温度低于500℃)
铀合金，可提高铀的辐照稳定性，同时还能改 善其而腐蚀性能。但是即使采取了这种措施， 铀合金的辐照稳定性仍然比较差。后来由于性 能更加良好的陶瓷型二氧化铀获得较快的发展 ，因而铀合金在动力堆中没有被广泛采用。
陶瓷型材料——二氧化铀
• 1、主要优点： １)耐辐照：二氧化铀没有同素异形体，在熔点 (2805℃)以下的整个温度范围内，只有一种结 晶形态，并且是各向同性的，不可能发生象金 属铀那样的长大现象。
• (２)具有良好的热物性(熔点高，热导率大，热膨胀系数 小)，使反应堆能达到高的功率密度；
• (３)在高温下与包壳材料的相容性好； • (４)与冷却剂接触不产生强烈的化学腐蚀； • (５)工艺性能好，制造成本低，便于后处理。
金属铀和铀合金
• 金属铀：
主要优点：密度高（＞18.6克/厘米3）；热导率大； 工艺性能良好。
第一节 核燃料
可用作核燃料的元素不多，233U、235U、239Pu、 241Pu的热中子裂变截面较大，其中233U、235U、239Pu已被 用作核燃料。
235U是存在于天然铀矿中的核燃料。在天然铀中，大 量存在的是238U，约占99.28%，235U的含量大约只占0.714%， 其余的约0.006%是234U。
２) 二氧化铀的高熔点的特点大大扩大了它的使 用温度范围，它为现在和将来先进的动力反应 堆提供了达到高的热效率的可能性。
３)在高温水和液态钠中具有良好的耐腐蚀性能。 即使在反应堆运行期间燃料元件包壳出现某种 缺陷，二氧化铀也不会和冷却剂发生剧烈反应， 因而可以减轻由包壳破损造成的污染后果。
４)与包壳材料(如锆-2、锆-பைடு நூலகம்和不锈钢等)和冷却 剂材料的相容性好。
陶瓷型核燃料——二氧化铀
• 主要热物性：
1、熔点：未经辐照的二氧化铀熔点的比较精确的 测定值是2805±15℃。辐照以后，随着固相裂变 产物的积累，二氧化铀的熔点会有所下降，燃耗 越深，下降得越多。熔点随燃耗增加而下降的数 值约为：燃耗每增加104兆瓦·日／吨铀，熔点下 降32℃。
2、密度：二氧化铀的理论密度是10.98克／厘米3， 但实际制造出来的二氧化铀，由于存在孔隙，还 达不到这个数值。加工方法不同，所得到的二氧 化铀制品的密度也就不一样。
1 . 1 2 1 0 6 t3 1 . 5 9 1 0 1 0 t4
• 在上面两式中，cp的单位是焦/(千克·℃)，ｔ的单位是℃。
陶瓷型核燃料——钚、铀混合物
• 钚、铀氧化物(UO2+PuO2)
– 优点是熔点高，有良好的辐照稳定性，同包壳和冷却剂的相容性好。 – 其缺点是金属原子密度低。
主要缺点： 1、熔点低，而且熔点以下具有三种同素异形体，分
别称为α相（<668℃）、β相（668 ~774℃） 、 γ 相（>774 ℃），各具有不同的结晶构造。从一个 相转变为另一个相，铀的若干性质要发生急剧的 变化，这在反应堆内是不允许的； 2、辐照稳定性差，有辐照生长和辐照肿胀现象。
铀合金： 在铀中加入适量的钼、锆、硅等元素，制成
• 碳化物(UC+PuC)
– 具有较高的金属原子密度，在快堆中使用它可以得到更高的增殖比。 此外，ＵＣ的热导率比UO2的热导率大得多(前者约是后者的五倍) 。 这类燃料的缺点是在高温辐照下会发生严重肿胀。