核电材料汇总

核燃料分类及各种燃料存在的优缺点。

核燃料在反应堆内使用时，应满足以下的要求：①与包壳材料相容，与冷却剂无强烈的化学作用；②具有较高的熔点和热导率；③辐照稳定性好；④制造容易，再处理简单。根据不同的堆型，可以选用不同类型的核燃料：金属（包括合金）燃料，陶瓷燃料，弥散体燃料和流体（液态）燃料等。

金属燃料

铀是目前普遍使用的核燃料。天然铀中只含0.7％的U235,其余为U233。天然铀的这个浓度正好能使核反应堆实现自持核裂变链式反应，因而成为最早的核燃料，目前仍在使用。但核电站（特别是核潜艇）用的反应堆要求结构紧凑和高的功率密度,一般要用U含量大于0.7％的浓缩铀。这可以通过气体扩散法或离心法来获得。金属铀在堆内使用的主要缺点为：有同质异晶转变；熔点低；存在尺寸不稳定性；最常见的是核裂变产物使其体积膨胀（称为肿胀）；加工时形成的织构使铀棒在辐照时沿轴向伸长（称为辐照生长），虽然不伴随体积变化，但伸长量有时可达原长的4倍。此外,辐照还使金属铀的蠕变速度增加（50～ 100倍）。这些问题通过铀的合金化虽有所改善,但远不如采用UO2陶瓷燃料为佳。

陶瓷燃料

包括铀、钚等的氧化物、碳化物和氮化物，其中UO2是最常用的陶瓷燃料。UO2的熔点很高(2865℃)，高温稳定性好。辐照时UO2燃料芯块内可保留大量裂变气体，所以燃耗（指燃耗份额，即消耗的易裂变核素的量占初始装载量的百分比值）达10％也无明显的尺寸变化。它与包壳材料锆或不锈钢之间的相容性很好，与水也几乎没有化学反应,因此普遍用于轻水堆中。但是UO2的热导率较低，核燃料的密度低，限制了反应堆参数进一步提高。在这方面，碳化铀(UC)则具有明显的优越性。UC的热导率比UO2高几倍,单位体积内的含铀量也高得多。它的主要缺点是会与水发生反应，一般用于高温气冷堆。

弥散体燃料

这种材料是将核燃料弥散地分布在非裂变材料中。在实际应用中，广泛采用由陶瓷燃料颗粒和金属基体组成的弥散体系。这样可以把陶瓷的高熔点和辐照稳定性与金属的较好的强度、塑性和热导率结合起来。细小的陶瓷燃料颗粒减轻了温差造成的热应力，连续的金属基体又大大减少了裂变产物的外泄。由裂变碎片所引起的辐照损伤基本上集中在燃料颗粒内，而基体主要是处在中子的作用下，所受损伤相对较轻，从而可达到很深的燃耗。这种燃料在研究堆中获得广泛应用。除陶瓷燃料颗粒外，由铀、铝的金属间化合物和铝合金（或铝粉）所组成的体系，效果也较好。在弥散体燃料中由于基体对中子的吸收和对燃料相的稀释，必须使用浓缩铀。

燃料芯块：为核燃料元件的核心部分，也可分为金属型、陶瓷型、弥散型。

一、稀土元素在燃料芯块中的应用

1、Sm2O3. Sm2O3在核反应堆中用来制备芯块，或者弥散分布在核燃料中。随着对材料力学

性能和可加工性能要求的提高，单一成分Sm2O3难以满足核电材料的要求，对其研究转向复合材料。国内有关Sm2O3复合材料的研究单位主要有南航材料学院，他们研究的主要方向是将Sm2O3与树脂材料复合，提高其加工性能和抗辐射能力（发表论文是：氧化钐/环氧树脂与聚丙烯酸钐/环氧树脂辐射防护材料的制备工艺、微观结构及性能）；北京化工大学高分子材料实验室，研究的方向也是复合材料，Sm2O3与热塑性聚氨酯复合可以提高其抗辐射性能和流变性能（发表论文：氧化钐/热塑性聚氨酯复合材料的防辐射性能及流变性能）。

2、Eu2O3,EuB6. 用来制备芯块，或弥散分布在包壳合金中。Sm2O3和Eu2O3可以添加到金

属燃料、陶瓷燃料、弥散型燃料当中，可以提高这些核燃料的使用性能、安全性能以及燃料效率.

3、Gd2O3. 用来制备芯块或弥散分布核燃料中。在轻水动力反应堆中，为达到补偿堆的

总反应性因燃料消耗而缓慢减少的目的，常在燃料中加入精确控制的具有较大中子俘获截面的材料(可燃毒物)。钆在多方面有独特优点，从20世纪70年代以来，国际上对以钆作为中子材料进行了多方面的研究，目前，几乎全都采用UO2粉末与Gd2 O3粉末的机械混合方法(干法)。但该方法存在工艺复杂，需长时间研磨、混合，钆、铀在烧结芯块中的均匀性差，废料需进行水法处理与钆铀分离，流程长，技术难度大等缺点。随着对UO2—Gd2 O3。燃料需求的增加，迫切需要找到一种钆与铀均匀混合的简单方法。近年来，美国、德国和日本等对共沉淀法(如AUC、ADU和溶胶凝胶法)进行了大量研究[1]，得到了一些较为满意的结果。中国核动力研究设计院—核燃料及材料国家级重点实验室对AUC流程有较多的试验研究与生产实践经验，并已对AUGdC 共沉淀法进行了初步研究。在以往研究工作的基础上，本工作拟研究用AUGdC共沉淀法取代机械混合法的可行性（详文见其发表论文：共沉淀法制备AUGdC的工艺研究）。

为了提高核燃料的利用率，降低燃料循环成本，充分利用现有的铀矿资源，提高核电厂运行的经济性，必须在堆内使用可燃毒物燃料。Gd203一U02是应用较为广泛的可燃毒物之一。在核电发达国家，许多核电厂的燃料循环长度可达15—20个月…。芯块晶粒尺寸的大小将直接影响燃料的强度和蠕变速率，以及芯块在堆内的抗肿胀性能，晶粒太大或太小都不利于芯块的堆内运行特性。所以核动力研究院又陆续研究了UO2—Gd2 O3的制备工艺与性能之间的关系，以及如何改善制备工艺提高其使用性能。具体是：（1）UO2—Gd2 O3芯块晶粒尺寸的影响因素研究；

（2）UO2—Gd2 O3芯块中添加U3O8研究.

4、钛酸镝和钛酸钆正处于实验当中，还未应用到生产上。