反应堆使用的核燃料概述及金属材料简介

反应堆使用的核燃料概述及金属材料简介 XX制作成员 XXYYZZ 1 2 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料有一些特殊要求 合理地选择反应堆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材料 4 控制材料 2 2020 4 21 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 3 2020 4 21 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 较重分子的平均速度小 铀浓缩的工艺 气体扩散法 气体扩散法示意图 4 2020 4 21 离心机法 离心机法示意图 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 铀浓缩的工艺 5 2020 4 21 激光法 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原子 或分子 相分离 目前对于铀同位素最具有实用价值的激光法 原子蒸汽激光分离法 atomicvaporlaserisotopeseparation 分子激光分离法 moleculelaserisotopeseparation 铀浓缩的工艺 6 2020 4 21 核燃料在反应堆内长期工作 应满足 1 热导率高 以承受高的功率密度和高的比功率 而不产生过高的燃料温度梯度 2 耐辐照能力强 以达到高的燃耗 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能力 4 熔点高 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种类型 金属型 陶瓷型和弥散体型 7 2020 4 21 金属型核燃料包括金属铀和铀合金两种 金属型燃料 亨利 贝可勒尔在1896年将照相底片放在铀附近 从而发现了放射性 每月铀价格趋势图 以每磅美元计 2007年的铀价泡沫爆破清晰可见 8 2020 4 21 金属铀有三种不同的结晶构造 665 菱形晶格的 相 铀的强度很高 665 770 正方晶格的 相 铀变脆 770 体心立方晶格的 相 铀变得很柔软不坚固 金属铀的熔点为1130 沸点约3600 金属型燃料 9 2020 4 21 金属型燃料 10 2020 4 21 摘自书上一些重要的段落 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 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 11 2020 4 21 在铀中添加少量合金元素 钼 铬 铝 锆 铌 硅等 能使铀稳定在 和 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 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锆合金 金属型燃料 12 2020 4 21 金属型燃料总结 13 2020 4 21 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 即混合氧化物燃料 这种钚与铀的组合可以实现快中子增殖 因而成为当今着重研究的核燃料之一 金属型燃料 14 2020 4 21 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 后处理也比较困难 因此尚未获得广泛应用 另外 因为钍缺乏武器应用 钍的研究难以得到象铀和钚的研究那样的重点关注 金属型燃料 15 2020 4 21 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 因此能在 定程度上避免堆芯熔毁 金属型燃料 16 2020 4 21 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