反应堆材料第一章序言

• 燃料：无论是金属型还是陶瓷型的燃 料，必须含有易裂变核素铀-235、铀233或钚-239。金属型燃料有金属铀和 铀合金。陶瓷型燃料有UO2、UC、UN、M OX（UO2+PuO2）。UO2是用途最广的动 力堆燃料。轻水堆燃料的富集度为3% 左右；重水堆采用天然铀为燃料；快 堆燃料的富集度为60-70%。
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沸水堆所用基本材料：
• 压力壳（pressure vessel）——(Mn-Mo-Ni)低合 金碳钢 （low alloy carbon steel）
• 燃料（fuel）——二氧化铀（uranium dioxide UO2）
• 包壳（cladding）——锆-2合金（zircaloy-2） • 控制棒——碳化硼/304不锈钢（B4C /304SS） • 慢化剂，冷却剂——轻水（H2O） • 一回路水管——304不锈钢 • 蒸汽回路——304，316不锈钢 • 汽轮机——铬-钼钢
压水堆电厂采用银-铟-镉合金制作控制棒材料， 硼酸作主要的辅助控制材料，氧化钆作初装料的可 燃毒物材料。
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压力容器 • 压水堆压力容器是核反应堆安全的第二道屏障，堆容器是主冷却剂回路的一部分。主回
路的可靠运行，保证着燃料组件的冷却和完整。因此压力容器是压水堆电站最关键的设 备之一，它是一个庞大的不可更换的密封壳体，是关系到反应堆安全和寿命的重要部件。 • 压水堆电厂的压力容器采用镍-锰-钼低合金碳钢制作。
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沸水堆电站系统
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压水堆（PWR）
压水堆一般有两个水回路，中间是蒸汽发生器（steam generator）。（见图1.2）， 它由核反应堆，Mpa，在蒸汽发生器中，一回路水把热能传递给二回路并使二回路水获得 能量转化为蒸汽，推动汽轮机发电。
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• 它的材料必须在高温、高压、强辐照及介质的腐蚀条件下工作。
•
它所面临的条件比迄今为止我们所遇到的任何工程所面临的条件要复杂得多。
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材料在堆内的工作条件（1）
• 高温、高压：
结构材料在
PWR条件下，290-320℃，15.5Mpa；
Candu 堆条件下，260-300℃，10Mpa。
FBR条件下，550℃-600℃。
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快堆电站系统
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1.2 材料的分类
1）常规岛用材料：凡是不暴露于放射性环境或一次
水回路的材料都属于这一类。这类材料与一般工业用材没 特殊的区别，
2）反应堆核岛用材料：由于这部分材料暴露在辐射
场内，存在核材料的特殊问题。
核燃料：
易裂变核素－任何能量中子都能引起核裂变的核 素。如铀-235、铀-233、钚-239。
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钠冷快中子增殖堆所用材料：
• 燃料——混合氧化铀钚（钚含量20～30%） • 包壳——奥氏体不锈钢（316SS或316Ti） • 元件盒——马氏体-铁素体钢或奥氏体不锈钢 • 控制棒——碳化硼（B4C）/300系列不锈钢 • 传热管——800合金或316SS及304 SS • 容器材料——316SS及304 SS
可转换核素是指某核素在俘获高能中子（>1MeV） 以后会转换为可裂变核素。如钍-232、铀-238 。
非核燃料（又统称结构材料）：包括包壳材料，
结构材料，慢化材料，冷却剂材料，反射材料，控制材料 及屏蔽材料。
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包壳材料：
• 是指包裹核燃料的材料。包壳是燃料与冷却剂隔离的屏障；也是反应堆安全的第一道
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反应堆一回路管道和阀门
• 一回路管道和阀门都处于高温高压下，是压力边 界，要严防泄漏。所用的材料要耐腐蚀，不带或 少带造成长寿命核素的元素，以及对堆内性能发 生干扰的元素，如钴、硼等。大部分的一回路管 道和阀门都采用奥氏体不锈钢制作。由于一回路 管道比较大也有用低合金钢制作，内衬不锈钢的。 有的公司对大直径的直管，使用离心铸造，对弯 管使用静态铸造。
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CANDU 型反应堆流程图
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图 1.3
液态金属快中子增殖堆（LMF BR）
这种反应堆与以上介绍的不一样，它是以液 态钠为冷却剂的，它一般有多条回路。一回路二 回路都是液态钠。中间有热交换器用以隔离一回 路的放射性。（见图1.4）快堆的堆芯由燃料区和 再生区组成。在快堆运行中，一方面消耗燃料， 另一方面大量的铀-238俘获中子后转化为钚-239， 从而达到增殖的目的。快堆用于发电，是通过热 量传递，将堆芯能量带出，使回路中的水汽化， 由蒸汽带动汽轮机发电。
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压水堆所用材料：
• 压力壳——Mn-Mo-Ni低合金碳钢
• 燃料——二氧化铀
• 包壳——锆-4合金（Zr-4）
• 控制棒——银-铟-镉合金/316，304不锈钢（Ag-In-Cd/SS）
•
长期反应性控制用硼酸
• 传热管——600，690，800合金
• 其余与沸水堆同
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重水堆所用材料：
• 压力管（容纳冷却剂）——锆铌合金（Zr-2.5Nb） • 排管容器（容纳慢化剂）——奥氏体不锈钢 • 排管容器管子——锆-2合金（退火） • 燃料——天然丰度的二氧化铀（natural uranium） • 包壳——锆-4合金，内壁涂有石墨层 • 慢化剂和冷却剂——重水（D2O） • 端屏蔽——奥氏体不锈钢 • 嵌入环、屏蔽板、冷却水管——碳钢 • 中子吸收体——镉棒 • 液体注射停堆组件——硝酸钆 • 调节棒——加水不锈钢管
控制材料：是一种中子吸收体，用于反应堆使其实现受控核裂变的材料。 屏蔽材料：是指用于屏蔽放射线，中子或热量的材料。屏蔽放射线要用质量
大、密度大的材料，如铅、重混凝土等；屏蔽中子要用轻质材料，如轻水、石蜡、石 墨等；屏蔽热量要用空腔不锈钢弧形瓦或增大间距，增厚屏障层来达到。
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1.3 核电厂主要部件用材 （1）
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压水堆电站系统
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重水堆（PHWR）：
其慢化剂和冷却剂都是重水。重水堆的结构与 轻水堆不同，反应堆的堆本体是一个水平放置的 圆筒形容器，称为排管容器（calandria）（见图 1.3）。在容器内贯穿许多根水平管道，称为燃料 管道（feul channel）或压力管（pressure tub e）。排管容器中盛有低温低压的重水慢化剂， 燃料管道里装有天然铀燃料棒束和高温高压重水 冷却剂。冷却剂通过燃料管道将热量带出来，经 蒸汽发生器产生蒸汽，推动汽轮机发电。它的燃 料棒是短型的，可以在不停堆的条件下实现换料。
2）研究堆－对应不同的目的又有不同的种类：如用 于研究燃料和堆芯材料用的材料试验堆（如法国 的Osillos），用于中子衍射、同位素生产和物理、 化学、生物等多用途的研究堆（如：原子能院的1 01重水堆，492游泳池堆）等；
3）动力堆－是本课程涉及的重点，即利用核反应能 转换为电能以获取动力满足国民经济各方面的需 要的反应堆 。目前常见的动力堆有沸水堆、压水 堆、重水堆、高温气冷堆、快中子增殖堆等。
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慢化剂材料：是指通过中子与材料原子之间的弹性碰撞来降低中
子能量，使高能快中子变为能被裂变原子俘获，并激发另一次裂变的热中子的材料。
反射材料：材料的原子与从堆芯逃逸的中子发生碰撞后，能使从中子无
吸收地返回堆芯的材料。
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冷却剂材料：是指将核裂变产生的热量带出的一种载热剂。它可以是气体
也可以是液体。
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• 控制棒等
控制棒是核反应堆实现可控和自持核裂变不可缺或 的重要部件。对控制材料来讲，最要紧的还是中子 吸收截面大，对压水堆来说不仅要求对热中子的吸 收，还要求对超热中子的吸收；同时要求保持毒物 效应的时间长，含长半衰期的元素少，中子活化截 面小；有足够的强度、塑性、耐腐蚀性、耐辐照； 工艺性和经济性好等。
2)中能中子反应堆(1eV ≤E ≤ 0.01 MeV)和
3)热中子反应堆(E～KT=0.025eV)。 能量分布在上述所指的范围内的中
子分别为快中子、中能中子和热中子。
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按使用目的分类：一般可分为生产堆、研究堆、 动力堆。
1） 生产堆－主要用于生产聚变或可裂变核材料如： 氚、铀233和钚239等；
• 阀门用奥氏体不锈钢铸造或锻造，阀座的密封面 堆焊司太立合金。因为司太立合金含有较多钴， 它成为一回路放射性的主要来源。
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反应堆冷却剂泵(主泵) • 主泵在高温、高压下工作，壳体、叶轮、转子等虽然不直接接受中子辐照，但由于与
介质接触，会造成腐蚀，由于活动部件的相互摩擦，会造成磨损，同时由于介质的循 环作用，会把磨损或腐蚀的微粒带进堆芯辐照后形成放射性核素，造成很强的放射性。 因此对这部分材料的除了机械性能和工艺性能方面要求外，还要求抗腐蚀，不带和少 带会造成长寿命核素的元素，以及对堆内性能发生干扰的元素。
反应堆材料
阮於珍 编 核工业研究生部
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第一章 序言 1.1 反应堆系统 1.2 材料的分类 1.3 核电厂主要部件用材
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第一章 序言
核反应堆用于发电是和平利用核能的重要手段。 材料在核电站的重要作用和地位：
反应堆安全的重点是防止堆内放射性物质外逸。 核电厂的可靠性和经济性也与材料密切相关。 反应堆材料对各种堆型的设计、建造和寿命也 有密切的关系。 反应堆材料对反应堆的建设质量和水平以及系 列化、商品化和改进与发展都起着重要的先导作 用。
屏障。它的作用是防止燃料与冷却剂反应；防止裂变产物逃逸；保持燃料棒的完整性。
•
它的运行工况非常苛刻。要求材料具有小的中子吸收截面、高的导热系数、强度
好、韧塑性好、耐腐蚀、抗辐照、热稳定性好等。
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结构材料：
• 主要是指堆芯和一回路的结构材料。包括压力壳材料、管道材料及蒸汽发生器材料等。 这些材料不仅要求有好的强度、韧性、抗辐照、耐腐蚀还必须有最小的诱发放射性， 以便维护保养和处置。
2）增殖、生产新的核燃料（如钍232→铀233，铀 238→钚239）。
3）生产放射性同位素（如钼-锝靶件，医用同位 素等）。