第3講 核燃料

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1、核燃料核燃料的分類和特征UO2作為壓水堆核燃料的堆內(nèi)行為概述動力堆對于固體燃料的主要要求：(1)良好的核裂變性能?維持鏈式反應(yīng)(2)良好的熱導(dǎo)率?傳熱效率高、安全(3)高熔點?可承受高運行溫度、安全(4)化學(xué)穩(wěn)定性?與冷卻劑及包殼材料良好的相容性。(5)足夠的力學(xué)性能、晶型穩(wěn)定、抗輻照?工作中不破損主要的核燃料：可裂變(需高能中子)易裂變天然材料U-238,Th-232U-235轉(zhuǎn)換材料Pu-239,U-2332核燃料的分類固體燃料?金屬型、陶瓷型、彌散型燃料目前常用核燃料，根據(jù)堆型不同形式不同液體燃料?溶液(或懸浮液)、液態(tài)金屬和熔鹽其設(shè)計特點是：將燃料、冷卻劑和慢化

2、劑溶合在一起，在早期反應(yīng)堆發(fā)展初期被研究，未發(fā)展為實用動力燃料。3固體核燃料金屬型?直接使用純鈾金屬導(dǎo)熱性好，但使用溫度低于450oC，主要用于實驗堆、英國氣冷堆陶瓷型?氧化物陶瓷、碳化物陶瓷陶瓷型燃料多為氧化物(如最常見的二氧化鈾UO2)、碳化物UC、氮化物UN等，它們具有高的工作溫度，但密度低、導(dǎo)熱性能差、易脆化，一般來說，與與冷卻劑及包殼材料的相容性好。彌散型燃料?將燃料顆粒彌散分布在導(dǎo)熱性好的基體中目的：改善燃料性能，克服陶瓷型燃料的導(dǎo)熱和延性不足方法：(1)將陶瓷燃料(UO2)粉末或金屬間化合物粉末等彌散在金屬基體內(nèi)，或(2)用熱解碳和碳化硅包覆氧化物或碳化物

3、的涂層顆粒燃料，再將這些顆粒燃料彌散在石墨體內(nèi)用途：作為高溫堆燃料，如高溫氣冷堆的燃料4金屬型燃料純金屬鈾鈾是一種致密的、具有中等硬度的銀白色金屬，熔點1133℃，在熔點以下有三種同素異構(gòu)體優(yōu)點：密度高（>18g/cm3），導(dǎo)熱率高（相對于UO2），工藝性能好，易于加工成型缺點：相變、各向異性、輻照腫脹、化學(xué)穩(wěn)定性差鈾合金?為了改善純鈾的特性g相合金：U-Zr,U-Mo,U-Nb,快冷得到立方g相a相合金：保持a結(jié)構(gòu)并具有細小而混亂的晶粒組織，抗輻照，典型合金有U-1.5%Nb-5%Zr、U-2%Zr、U-0.3%Cr、U-1.5%Mo等。金屬間化合物：U3Si是具有一

4、定壓縮延性的金屬間化合物，其耐蝕性遠高于金屬鈾，在燃料芯塊中心予留孔洞就可以適應(yīng)大多數(shù)情況下輻照引起的尺寸變化。5純鈾金屬的物理性能6彌散型核燃料彌散型燃料是將UO2或UC等陶瓷核燃料顆粒均勻地和非裂變基體材料(金屬、非金屬或陶瓷)混合后，經(jīng)粉末冶金法壓制后燒結(jié)而成。基體特性要求：中子吸收截面小，抗輻照能力強；導(dǎo)熱率高，熱膨脹系數(shù)低，并與燃料顆粒的熱膨脹系數(shù)相當；在運行溫度范圍內(nèi)無相變，并應(yīng)有足夠的蠕變強度和韌性；對燃料、燃料包殼和冷卻劑的相容性好?？勺鳛榛w相的材料:(PWR常用Zr－2)金屬材料鋁、鋯、鉬和不銹鋼等；非金屬和陶瓷材料如石墨、氧化鋁、二氧化鋯等。7彌散

5、型燃料的特點彌散型核燃料成本較低，物理和機械性能較好，燃耗也較高，并且燃料類型可以多樣化，有利于開擴核燃料的應(yīng)用范圍輻照損傷只限于彌散相附近，對基體的影響較小，當燃耗逐漸加深時，燃料元件的腫脹小，因而提高了燃料元件的壽命。以金屬相為基體的彌散型燃料有較高的導(dǎo)熱率；金屬基體有良好韌性，加工性能好，如不銹鋼基體的核燃料可軋制成板狀高功率密度元件，已用于美國軍用裝配式動力堆。但是，由于彌散型核燃料中的裂變物質(zhì)含量低，故需采用高濃度鈾原料。8Pu(钚)類核燃料Pu是最重要的一種可裂變?nèi)嗽焱凰厝剂?，它能在反?yīng)堆中制造。如果钚也用做核燃料的話，那么反應(yīng)堆燃料的儲備量將能增加幾個數(shù)

6、量級。然而，由于钚性能和加工上的一些缺點，尚處于研究發(fā)展階段。純金屬钚的特點?不適合作為核燃料熔點低，僅640℃；從室溫到熔點有六種同素異構(gòu)體，結(jié)構(gòu)變化復(fù)雜；導(dǎo)熱系數(shù)僅為鈾的1/6左右；線膨脹系數(shù)大，各向異性十分明顯；力學(xué)性能屬脆性；化學(xué)穩(wěn)定性很差，極易氧化，并易與H2和CO2作用。钚多以氧化物PuO2、氮化物、碳化物狀態(tài)應(yīng)用，也可以與UO2混合（(U,Pu)O2）使用，氧化钚的熔點高，化學(xué)穩(wěn)定性好，制備較容易，現(xiàn)多用于快中子堆。钚的碳化物(U,Pu)C有較高的導(dǎo)熱率，是有希望的核燃料。9陶瓷型核燃料燃料的特性芯塊的制造技術(shù)要求陶瓷型核燃料主要是二氧化鈾(UO2)、碳化

7、鈾(UC)及氮化鈾(UN)，其中二氧化鈾是應(yīng)用最廣、研究最深入的一種。UO2燃料的性質(zhì)壓水堆主要是用二氧化鈾瓷型核燃料，優(yōu)良特性：1.熔點高:2865℃2.fcc結(jié)構(gòu)(CaF2結(jié)構(gòu))，在熔點下無晶型轉(zhuǎn)變，各向同性，抗輻照穩(wěn)定性好。3.與水和包殼材料的相容性好。4.熱中子俘獲截面極低(＜0.0002barn)；與金屬鈾相比的不足1.密度較低,10.9g/cm32.導(dǎo)熱率僅為金屬鈾的十幾分之一，溫度梯度大3.質(zhì)脆且硬，由于大溫度梯度造成的熱應(yīng)力而開裂?？梢?，陶瓷二氧化鈾雖有不足之處；但其優(yōu)良特性仍是主導(dǎo)的一面，目前動力堆廣泛用它作為核燃料。