反应堆使用的核燃料概述及金属材料简介

金属型燃料
金属铀有三种不同的结晶构 造：
<665 ℃，菱形晶格的α相，铀的 强度很高；
665~770 ℃，正方晶格的β相，铀 变脆；
>770 ℃，体心立方晶格的γ相，铀变得很 柔软不坚固。
金属铀的熔点为1130 ℃，沸点约3600 ℃。
Байду номын сангаас
金属型燃料
金属型燃料
摘自书上一些重要的段落：
α相铀的物理和力学性能都具有各向异性， 在辐照作用下，金属铀棒会变细、变长；
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；
3.燃料的化学稳定性好，与包壳相容性好，对冷 却剂具有抗腐蚀 4能.熔力点；高，且低于熔点时不发生有害的相变；
5.机械性能好，易于加工。
核动力反应堆通常使用的燃料分为 三金种属类型型、：陶瓷型和弥散体型。
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 每月铀价格趋势图（以每磅美元计）， 底片放在铀附近，从而发现了 2007年的铀价泡沫爆破清晰可见
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
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
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 TRIGA反应堆核心近照，可以看见 及教学用的理想堆种。 切连科夫辐射引起的蓝色辉光
反应堆使用的核燃料概 述及金属材料简介
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核反应堆内使用的材料处于高温、高压、 高中子通量和射线辐照下，因此对核反应堆 内的材合料理有地一选些择特反殊应要堆求材。料是保证反应堆安 全性、可靠性、经济性的关键。
反应堆内的材料大 致可分为：
1.核燃 料2.结；构材 料3.慢；化剂材料和冷却 剂4.控材制料材；料。
铀-235是三种易裂变核素(235U，239Pu，233U)中 惟一天然存在的一种，它在天然铀中的丰度为 0.714％.
铀浓缩的工艺
气体扩散法：
气体扩散法的原理是基 于两种不同分子量的气体 混合物在热运动平衡时， 具有相同的平均动能，但 速度不同。较轻分子的平 均速度大，较重分子的平
气体扩散法示意图
铀浓缩的工艺
离心机法：
在高速旋转的离心机中， 由于很强的离心力场的作 用，较重的分子靠近外周 浓缩，较轻的分子靠近轴 线浓缩，从而可以实现轻、 重同位素的分离。
离心机法示意图
激光法：
铀浓缩的工艺
激光法是利用同位素质量差所引起的激发能差别， 根据不同同位素原子(或由其组成的分子)在吸收光谱 上的微小差别(称为同位素位移)，用线宽极窄即单色 性极好的激光，选择性地将某一种原子(或分子)激发 到特定的激发态，再用物理或化学方法使之与未激发 的目原前子对(于或铀分同子位)相素分最离具。有实用价值的激光法：
金属型燃料 钍-232吸收中子后可以转换为可作核燃料之用 的铀-233。钍在地壳中的储量很丰富，所能提供的 能量大约相当于如今铀、煤和石油全部储量的总和。 钍的熔点较高，直至1400℃才发生晶体结构相变， 且相变前后均为各向同性结构，所以辐照稳定性较 好，这是它优于铀、钚之处。金属态的钍在使用中 的主要限制为辐照下蠕变强度很低，一般以氧化物 或碳化物的形式使用。在热中子反应堆中，利用铀钍循环可得到接近于100%的转换比，从而实现“近 似增殖”。但这种循环比较复杂，后处理也比较困
金属型燃料
铀氢锆核燃料（UZrH）是TRIGA反应堆普遍 使用的核燃料，其反应速率是负温度系数的，在 堆芯温度超过550℃时，铀氢锆会释放氢原子，氢 逸出堆芯，被贮存在反应堆内一个特制的贮存盘 里。燃料在失去氢原子时，自身温度会很快降低， 反应速率减缓。在温度降低到一定程度后，燃料 又会从贮存盘内吸收氢原子。整个反应过程由其 自身控制，不会剧烈地发生反应。反应堆运行时 堆芯温度保持在一个区间内上下波动，因此能
原子蒸汽激光分离法(atomic vapor laser isotope separation)
分子激光分离法(molecule laser isotope separation)
核燃料在反应堆内长期工作， 应1.满热足导：率高，以承受高的功率密度和高的比功率，
而不产生过高 2.的耐燃辐料照温能度力梯强度，；以达到高的燃耗；