第三讲 核燃料.ppt

1、第三章第三章 核燃料核燃料核能无穷的能源海洋铀、钍矿石如全部利用，能供使用年氘（来自海水）、锂40亿万吨 2千多亿吨 如实现可控核聚变，能供使用年 压水堆堆芯压水堆堆芯堆芯堆腔换料中新堆装料本章内容本章内容Q1: 什么是核燃料？什么是核燃料？Q2：怎样从矿石中获得可利用的核燃料？：怎样从矿石中获得可利用的核燃料？Q3：核燃料的性能与分类怎样？：核燃料的性能与分类怎样？Q4：UO2芯块的堆内行为怎样？芯块的堆内行为怎样？Q5：UO2陶瓷粉末烧结工艺与性能的关系陶瓷粉末烧结工艺与性能的关系 如何？如何？Q6：其它类型的核燃料性能及应用如何？：其它类型的核燃料性能及应用如何？核燃料是指能产生裂变或聚

2、变核反应并核燃料是指能产生裂变或聚变核反应并释放出巨大核能的物质的总称，包括裂释放出巨大核能的物质的总称，包括裂变材料和聚变材料。变材料和聚变材料。裂变材料：主要指易裂变核素铀，如裂变材料：主要指易裂变核素铀，如235、钚、钚239和铀和铀233等；此外，铀等；此外，铀238和钍和钍232能够转换成易裂变核素，其本能够转换成易裂变核素，其本身在一定条件下也可产生裂变。身在一定条件下也可产生裂变。聚变材料：氢的同位素氘、氚，锂聚变材料：氢的同位素氘、氚，锂6和和其化合物。其化合物。裂变核燃料的生成PuNpUnU23994239932399223892 UPaThnTh23392233912339

3、023290 裂变物质：U235 燃料富集度： 25U235U238l化学形态：UO2陶瓷易易裂变核燃料裂变核燃料fission materials 在任意能量的中子作用下发生核裂变反应，这些核素称为易裂变核素， 铀-235 铀-233 钚-239 钚-241 在天然铀中， 铀-235只占0.72% 铀-238约99.28%天然铀天然铀制备？压水堆核燃料加工制造过程 铀矿的开采 露天开采 地下开采 原地浸出 副产品 矿石的处理和铀的提取破碎和研磨 矿石浸出铀的提取析出和干燥精炼和转化 黄饼（U3O8）六氟化铀（UF6）铀浓缩 气体扩散法气体离心法激光分离法 二氧化铀芯块的制造 UO2粉末的制造

4、 UO2粉末的混合 制粒 成形 烧结 磨削 常用固体燃料的分类及应用常用固体燃料的分类及应用（1）金属型燃料：U及U合金燃料密度高，导热性能好，易加工，乏燃料后处理方便，用于转换和增值易裂变核素的转换比高；但是，熔点低，工作温度低，与冷却剂及包壳材料的相容性差，辐照稳定性差。U-Pu-Zr在美快堆一体化燃料循环中应用。（2）陶瓷型燃料：UO2，UC，UN熔点高，工作温度高，与冷却剂及包壳材料的相容性好；但是，燃料密度低，导热性能差，机械强度低，脆性大。（3）弥散型燃料将陶瓷燃料粉末或金属间化合物粉末弥散在金属基体内，从而克服了（2）的缺点。辐照稳定性好，导热性能好，抗腐蚀，能承受应力，堆内寿命

5、长。热解碳和碳化硅包覆的氧化物或碳化物颗粒燃料用于高温气冷堆。燃料芯块燃料芯块 功能功能含裂变材料的混合物体含裂变材料的混合物体 燃料铀燃料铀-235-235含量含量 低浓缩铀低浓缩铀 ：铀铀-235的的富集度富集度为为25 （压水堆压水堆) 天然铀天然铀 ：铀铀-235的的富集度富集度为为0. 72（重水堆重水堆） 中等浓缩铀中等浓缩铀：铀：铀-235的的富集度富集度为为1230 （快堆快堆)钚钚：由铀：由铀238238吸收中子产生吸收中子产生 芯块材料和结构材料芯块材料和结构材料金属铀金属铀铀混合物粉末烧结成的铀混合物粉末烧结成的二氧化铀二氧化铀陶瓷芯块陶瓷芯块 陶瓷燃料陶瓷燃料和耐高温的

6、和耐高温的石墨石墨结构材料结构材料 铀、钚混合铀、钚混合氧化物氧化物含裂变材料铀含裂变材料铀-235-235的含量的含量每个陶瓷芯块为直径每个陶瓷芯块为直径1cm，高度高度1cm的圆柱体的圆柱体二氧化铀二氧化铀 在常温下为红褐色粉末。在常温下为红褐色粉末。 密度密度 10.97g/cm3， 熔点熔点 2,846.85， 沸点沸点 大约大约3,500， 比热比热14 cal/molK。 二氧化鈾为面心立方结构二氧化鈾为面心立方结构萤石萤石型结晶构造。单位立方型结晶构造。单位立方体由中心体由中心4个铀原子和外围个铀原子和外围8個氧原子组成。個氧原子组成。导热率导热率 常温下导热率为导热率为8.4

7、W/mK，2000 K时的导热率为导热率为2.0 W/mK。 二氧化铀的电阻率隨温度升高而降低。二氧化铀的电阻率隨温度升高而降低。二氧化铀燃料的堆内行为二氧化铀燃料的堆内行为混粉混粉 在在UO2芯块制造过程中，为了获得最终芯块芯块制造过程中，为了获得最终芯块要求达到的密度和微观结构，往往需要在要求达到的密度和微观结构，往往需要在UO2粉末中添加密度调节剂粉末中添加密度调节剂U3O8粉末和造粉末和造孔剂孔剂(如草酸铵如草酸铵)；同时加入为改善粉末压制；同时加入为改善粉末压制性能的润滑剂性能的润滑剂(如硬脂酸锌如硬脂酸锌)；为了获得较大；为了获得较大的芯块晶粒尺寸而添加晶粒长大剂（如硅的芯块晶粒尺

8、寸而添加晶粒长大剂（如硅酸铝）。这些添加剂粉末必须均匀地分布酸铝）。这些添加剂粉末必须均匀地分布在在UO2粉末中。因此，粉末中。因此，UO2粉末这一道工序粉末这一道工序在在UO2芯块制造中是必不可少的，而且是关芯块制造中是必不可少的，而且是关键的工序。键的工序。烧结是粉末冶金生产过程中最基本的工序之一。粉末冶金是烧结是粉末冶金生产过程中最基本的工序之一。粉末冶金是由粉末冷压成型和对粉末压坯热处理（烧结）这两道基本工由粉末冷压成型和对粉末压坯热处理（烧结）这两道基本工序所组成。烧结是对产品的最终性能起决定性的作用。序所组成。烧结是对产品的最终性能起决定性的作用。 烧结是粉末压坯或松散的粉末体在适

9、当的条件下受热的作烧结是粉末压坯或松散的粉末体在适当的条件下受热的作用，颗粒之间产生粘结，并且，随着温度的提高或加热时用，颗粒之间产生粘结，并且，随着温度的提高或加热时间的延长，制品的孔隙逐渐缩小直到消失。结果，原来松间的延长，制品的孔隙逐渐缩小直到消失。结果，原来松散的粉末或比较脆弱的坯块变成了比较致密，特别是具有散的粉末或比较脆弱的坯块变成了比较致密，特别是具有一定机械强度的产品。一定机械强度的产品。 常规烧结法常规烧结法 二氧化铀生坯在还原性气氛中二氧化铀生坯在还原性气氛中(一般为一般为H2气氛气氛)，于，于1700甚至更高温度下在高温卧式推舟烧结炉中烧结甚至更高温度下在高温卧式推舟烧结

10、炉中烧结7h以上，成以上，成为为95% 理论密度的燃料块，晶粒尺寸主要分布在理论密度的燃料块，晶粒尺寸主要分布在1622m。在加热过程中，升温速率控制在。在加热过程中，升温速率控制在10/min以内，以内，于于600保温保温0.5h后继续升温至后继续升温至1700，并保温，并保温6h以上，以上，烧结完成后在烧结完成后在H2保护气氛中随炉冷却。保护气氛中随炉冷却。坯块掺杂烧结坯块掺杂烧结 加入的添加剂在烧结过程中有效地降低加入的添加剂在烧结过程中有效地降低了反应活化能，促进了烧结反应的进行，了反应活化能，促进了烧结反应的进行，降低了烧结温度，提高了成品的各项性降低了烧结温度，提高了成品的各项性能

11、指标。常见的添加剂有能指标。常见的添加剂有Nb2O5、TiO2、U3O8。掺入少量。掺入少量TiO2可以提高二氧化铀可以提高二氧化铀坯块的烧结密度；掺入微量的坯块的烧结密度；掺入微量的Nb2O5能能明显提高烧结后的晶粒尺寸，在微氧化明显提高烧结后的晶粒尺寸，在微氧化性气氛中效果更加明显性气氛中效果更加明显 。低温烧结（微氧化烧结）低温烧结（微氧化烧结） 低温烧结工艺主要分为两阶段烧结与三阶段烧结。低温低温烧结工艺主要分为两阶段烧结与三阶段烧结。低温烧结使用的材料一般为氧铀比烧结使用的材料一般为氧铀比2.25的的ADU粉末，氧铀比粉末，氧铀比的调节一般靠掺入的调节一般靠掺入U3O8来实现。来实现

12、。 低温烧结本质上是活化烧结，二氧化铀烧结是扩散控制低温烧结本质上是活化烧结，二氧化铀烧结是扩散控制过程。由于氧的扩散系数比铀高出几个数量级，故铀原过程。由于氧的扩散系数比铀高出几个数量级，故铀原子是烧结的控制因素。在超化学剂量的二氧化铀中，铀子是烧结的控制因素。在超化学剂量的二氧化铀中，铀原子的扩散激活能随过剩氧量的增加呈指数下降。只有原子的扩散激活能随过剩氧量的增加呈指数下降。只有保证了超化学剂量氧在二氧化铀粉末中的存在，才能实保证了超化学剂量氧在二氧化铀粉末中的存在，才能实现低温烧结。所以，低温烧结的特点是在微氧化气氛中现低温烧结。所以，低温烧结的特点是在微氧化气氛中烧制含有超化学剂量氧

13、的二氧化铀芯块。烧制含有超化学剂量氧的二氧化铀芯块。举例 UO2燃料芯块的微观结构对燃料的堆内尺寸行为起决定性作用。采用U3O8添加剂可改善芯块微观结构,但同时使芯块密度下降,开口孔隙度增加进而导致吸湿加剧。因此,必须采用烧结性良好的UO2粉末和合适的成型烧结条件以使开口孔隙度和细孔隙度降至最低。 相图的物理意义 a.已知合金成分，根据相图找出不同温度下合金所处的状态和相变点。 b.温度一定，合金所处的状态以及合金随成分发生的相转变。 二元相图通常用纵坐标表示温度，横坐标表示成分 测定合金系中若干成分不同的合金的平衡凝固温度和固态相变温度 具体方法：热分析、金相分析、硬度测试、X射线分析、膨胀试验、电阻试验等。是根据相变时发生某些物理变化为基础，精确建立相图常采用几种方法来校定。 热分析法是利用相变潜热来测定的，步骤如下：二元相图的