第四章--核反应堆材料..

4. 冷却剂材料
冷却剂材料要求
中子吸收和感生放射性小； 高的沸点和低的熔点； 高的比热，唧送功率低； 热导率大； 有良好的热和辐照稳定性； 和系统其他材料相容性好； 价格便宜。
常用冷却剂
水
重 水
水作为冷却剂和慢化剂 沸点低、存在沸腾临界、在 主要应用于轻水堆 高温下有腐蚀作用
和浓度(富集度)，除控制材料外，堆芯所有结构材料的
中子吸收截面都应该尽可能地小；
为减少放射性危害，制造反应堆的材料活化截面也应该
尽可能小，含长半衰期元素少，如Co。
3 反应堆材料的性能要求-2
（2） 机械性能 强度、塑韧性和热强性高，缺口敏感性和晶体长 大倾向性小。 （3）化学性能 抗腐蚀、抗高温氧化能力强；点腐蚀、晶间腐蚀 和应力腐蚀倾向性小。 （4）辐照性能 辐照期间组织、结构应稳定，脆化、肿胀等辐照 效应和PCI（芯块与包壳的相互作用）小； 杂质和气体合量少，纯洁度高，尤其Cu、P、S 含量应尽量少，成分偏析小； 晶粒和沉淀强化相要细小稳定。
2. 核燃料
核燃料：在反应堆内能使核裂变反应自持的易裂变物质。可 作为核燃料的易裂变物质是铀-233、铀-235和钚-239。其中铀235是天然存在的，而铀-233和钚-239分别由钍-232和铀-238用 人工方法转换而得。
核燃料要求
(1)热导率高； (2)抗辐照能力强，以达到高的燃耗； (3)燃料的化学稳定性好。燃料对冷却剂具有抗腐蚀能力； (4)熔点高，且在低熔点时不发生有害的相变； (5)机械性能好，易于加工。
对于能量为1MeV的中子，可以在铁中发生一次弹性碰撞将评价使几百个原子 产生位移。其中某些位移原子有可能移动到另一个空位而不造成材料缺陷。 快中子穿过物质产生大量位移原子，这些位移原子都在一次碰撞原子附件很小 的体积内产生，主要导致大量的能量传递给这样的小体积的物质，从而使这块 小体积物质在短时间内温度升高甚至熔化。
（2）中子
在反应堆中，中子是引起材料辐照损伤的重要原因， 中子进入物质后与原子发生碰撞，并把大量能量传递给原 子，被碰撞的原子离开原来晶体点阵中的平衡位置，成为 间隙原子，并留下一个相应的空穴。这样或多或少都会在 晶体中造成永久的缺陷，从而引起材料物理化学性质的永 久性质的变化。这样的效应通常称为辐照损伤。
热中子
吸收
激发的复核
反冲核
由于(n,p) (n, α)反 应产生杂质原子 位移原子 （间隙原子和空穴）
γ射线 电离和电子激发
(n,p)
快中子
(n, α)
反冲核
射程结束
位移峰
中子在弹性碰撞中所能传递的最大能量E为
E
4A En 2 ( A 1)
对于大多数金属，其位移能约为25eV。则由上式可求出对质量数为A的原子发 生位移所必需的中子初始能量En。例如对于Fe，A=56，要把一个铁原子撞出平 衡位置，中子初始能量至少为363eV。
3）弥散型燃料：
弥散型燃料是由二氧化铀或碳化铀等陶瓷燃料颗粒， 依所需的物理性质弥散在金属、非金属或陶瓷基体上所组 成。其优点是能比合金燃料承受更高的燃耗。弥散型燃料 的基体应具有较小的中子吸收截面。 在制作过程中应使燃料颗粒足够分散，这样，裂变碎 片造成的辐照损伤区不会发生重叠，从而使燃料元件能在 较高的燃耗下个发生明显的肿胀。 弥散型燃料的各种性质与基体材料类似，通常具有 较高的强度，导热性好，耐冷却剂腐蚀。但由于弥散型燃 料中基体材料所占的百分比大，燃料颗粒弥散后会受到稀 释，故必须采用富集铀。
主要内容
1. 材料的辐照效应
2. 核燃料
3. 慢化剂材料 4. 冷却剂材料 5. 结构材料
前言
反应堆材料在核电站中的作用和地位是十分重要的： 1.反应堆安全的重点是防止堆内放射性物质外逸； 2.核电厂的可靠性和经济性也与材料密切相关； 3.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； 4.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。 核动力设备的材料必须按照其使用条件合理选用，必须符合 国家制定的相应规范和标准
4）普通水 优点：慢化能力优越、价格低、热中子徙动长度小、可同时 作为慢化剂和冷却剂。 缺点：热中子吸收截面相当高，相应堆型只能够使用浓缩铀 作为燃料、沸点低，用于反应堆时需加高压。 5）重水 优点：慢化能力好、慢化比高。 缺点：沸点101.42℃，因此在高温的反应堆仍然需要加高压。 重水需要浓集（电解法、蒸馏法、化学交换法）。
可导致石墨慢化材料严重氧化和损伤。 热焓的增量称为潜能。
2）铍 铍是较好的慢化剂和反射层材料。 优点：慢化能力比石墨大、高温强度好、熔点、热导率、比 热都比较高，所以适用于高温反应堆，较强的抗腐蚀能力， 尤其在二氧化碳中稳定性良好。 缺点：较脆、难于加工、辐照性能差，且铍有毒、价格贵。
3）氧化铍 氧化铍是陶瓷燃料，热中子吸收截面小、慢化能力大、熔点 高，可在高温液态金属反应堆和高温气冷堆中做慢化剂、反 射层及核材料基体。 优点：具有良好的化学稳定性，在高温液态金属、二氧化碳 等中都是稳定的。 缺点：但在湿空气中加热会生成毒性的氢氧化铍挥发物，因 此比金属铍难于加工。
2003年4月12日，南Texas USA
2002年3月6日，Davis-Besse USA
2004年8月9日，日本美滨给水管
反应堆材料的性能应满足下列要求:

核性能 力学性能 化学性能 物理性能 辐照性能 工艺性能 经济性
反应堆材料的性能要求-1
（1）核性能
为减少中子消耗、降低235U的临界质量(堆芯临界尺寸)
核燃料分类
Hale Waihona Puke 燃料特点1）金属型燃料： 金属铀的优点：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，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。
铀合金与金属铀相比，其优点是能改善辐照稳定性、增加抗高 温水腐蚀性能。缺点是合金元素会使中子有害吸收增加，需采用富 集铀。用于动力堆的只有铀-锆合金。 2）陶瓷型燃料： 二氧化铀优点：抗辐照能力强，对裂变气体包容量大，辐照 下尺寸变化很小，因此能达到高的比燃耗；熔点高，高温稳定性 好；具有极好的抗高温水及钠的腐蚀能力，与包壳的相容性好。 主要缺点是导热性能差，燃料元件内径向温度梯度大，所产生的 热应力会使圆柱状的燃料芯块产生辐射状裂缝．同时晶粒的结构 也发生改变。
3. 慢化剂材料
对固体慢化剂要求： (1)中子吸收截面小，质量数 低，散射截面大； (2)热稳定性及辐射稳定性好； (3)传热性能好； (4)密度高； (5)价廉易得。
对液体慢化剂的要求： （1）熔点在室温以下， 高温下蒸汽压要低 （2）良好的传热性能 （3）良好的热稳定性和 辐照稳定性 （4）原子密度高 （5）不腐蚀结构材料
对于具有较大热中子吸收截面的材料。 （n，γ）反应产物是靶核的同位素
产物没有放射性，那么发生光子时，核会被反冲从而引起原子位移；
产物有放射性，那么其放出的粒子会使材料中掺入杂质原子。
（n，α），（n，β）反应直接产生杂质原子。
相比于快中子，每次俘获产生的杂质原子只有一个，所以热中子俘获引 起的辐照损伤比快中子小。
（3）裂变碎片
裂变碎片带有大部分裂变所释放的能量，因此它 也使原子发生位移。且由于它的射程短，所以原子位 移只发生在发生裂变附近极小的区域出现，所形成的 位移峰效应和快中子相似。
裂变碎片会使核燃料点阵中掺入杂质原子，而裂变碎片相比于重核 （核燃料）具有较低的固体密度，从而导致燃料体积的肿胀。 气体裂变产物将聚集成气泡，其体积比核燃料原子大许多倍，是造成 很燃料体积肿胀的重要原因。
1. 材料的辐照效应
辐照产生的晶体缺陷是引起材料性能变化的根源，由 于性能的变化直接关系到反应堆的安全和寿命，因而工 程上最关心的就是辐照效应。 来源：α 、β 粒子,γ 射线,中子和裂变碎片
（1）带电粒子和γ射线
β粒子、 γ射线通过物质时会引起电离或电子激发，即它 们仅扰动物质中原子和电子。由于β射线的射程短，因此电离 主要是由于γ射线的影响。电离作用使化合物的化学键破坏而 分解成单体。由于α粒子在物质中射程较短，在热中子反应堆 中，它们并不重要，暂不讨论。
保护燃料芯块不受冷却剂的侵蚀； 避免燃料中裂变产物外泄，使冷却剂免受污染； 保持燃料元件的几何形状并使之有足够的刚度和机械强度。
包壳是反应堆中工况最苛刻的重要部件。其工况条件为：
包容核燃料，承受高温、高压和强烈的中子辐照； 包壳内壁受裂变气体压力、腐蚀、燃料肿胀、吸氢致脆和芯块与
此外，对固体慢化剂还要求结构强度高，抗腐蚀 性能好，易于加工。对液体慢化剂要求不腐蚀结构材 料，熔点在室温以下，高温时具有低的蒸汽压。
分类：
固体：石墨、铍及氧化铍等 慢化剂 普通水 液体重水
1）石墨 石墨分为天然石墨和人造石墨两种。 天然石墨: 天然石墨是一种非金属矿物。 按其结晶的形状分 两种：形状呈颗粒状的叫致密土状石墨; 形状呈鱼鳞片的叫鳞片 状石墨。我国的石墨资源以鳞片状石墨矿为主。 人造石墨: 人造石墨是以无烟煤、 焦碳、 沥青等原料， 经过 煅烧、 粉碎、 筛分、 成型、 石墨化等工艺过程而制成的产品。 反应堆用石墨的要求： 辐照对石墨的影响： 纯度高； 热导率下降； 密度高； 当潜能释放率大于石墨比热容时，潜 尺寸变化； 能就可以在无外热源的条件下自持，石墨
重水慢化堆采用重水作 价格昂贵 冷却剂的好处是可以减 少核燃料的装载量或降 低核燃料的浓缩度 钠作为冷却剂主要应用 钠水剧烈反应、温度梯度质 于快中子堆。 量迁移、金属的扩散结合、 存在由反应性正空泡效应引 起的控制和安全问题。 气体作为冷却剂主要应 因运行压力和流量大而消耗 用于气冷堆 功率大、价格昂贵、泄漏问 题。
钠
气 体
5.结构材料
包括：燃料包壳材料、堆内构件材料、反应堆压力容器材料、 反应堆回路材料、蒸汽发生器材料、屏蔽材料和安全 壳材料。
几种结构材料 a. 铝、镁及其合金 b. 锆合金 c. 不锈钢 d. 镍基合金 e. 碳钢 f. 混凝土
1）包壳材料
核燃料芯块外面通常都有一层金属保护层，即燃料包壳：
3 反应堆材料的性能要求-3
(5) 工艺性能
冶炼、铸造、煅压、冷加工和焊接性能都应良好；
淬透性大，无时效、回火脆性和二次硬化以及延迟
脆性等倾向。
(6) 物理性能
导热率大，热膨胀系数小；
(7) 经济性
工艺简单易行，原材料来源方便，制造成本低廉。
在满足上述要求基础上，应优先选用工艺成 熟，使用经验丰富的材料。
核电站材料问题
建造、运行上出现的问题多半与材料有关；
国内：秦山二期压力容器、田湾蒸汽发生器… 国外：Davis-Besse封头腐蚀，南Texas下部仪表管腐蚀…
反应堆材料的工况比较复杂：温度、压力和腐蚀介质、中子 辐照、震动、流体冲刷等；
设计时，堆材料的使用性能需与工况要求相互匹配，并留有 充足余量，需要通过合理选材、改进工艺或开发新材料，以 降低成本、延长寿命和改进堆型。 在核电站的定型化、 标准化、系列化和商品化的各阶段中， 都需要有大量材料数据作基础。
碳化铀的优点：高温下化学稳定性好；热导率比二氧 化铀大许多倍，因此在相当高的比功率下也不致造成 中心熔化；它的理论密度较高(13．63g／cm3)。因而 每单位体积中含铀量比二氧化铀多。缺点是容易和水 及蒸汽发生反应；包容裂变气体的能力不如二氧化铀， 因此在高温下肿胀率大。 氮化铀燃料的优点：抗辐照、抗高温蠕变能力强； 热导率高，和碳化铀相当；含铀密度比二氧化铀、碳 化铀都高；在空气中不发生明显的腐蚀；用作快堆构 料时增殖比大于二氧化铀燃料。 尤其是成分为(U0.8Pu0.2)N混合氮化物，与包壳的 相容性好，肿胀较低。但高温下容易分解，所以，中 心温度必须小于1250℃。此外，氮对中子的有害吸 收较氧和碳大，使燃料循环成本增加。